Піротехнічна хімія: Введення в ракетну техніку - Федосов В.І. Рухові установки на перекису водню для невеликих супутників Нацистський спадщина в Англії ...

В 1818 м французький хімік Л. Ж. Тенар відкрив "окислену воду". Пізніше ця речовина отримало назву перекис водню. Щільність його становить 1464,9 кг / кубометр. Отже, отримане речовина має формулу Н 2 O 2, Ендотермічну, отщепляет кисень в активній формі з великим виділенням тепла: Н 2 O 2\u003e Н 2 O + 0,5 O 2 + 23,45 ккал.

Хіміки і раніше знали про властивості перекису водню як окислювачі: розчини Н 2 O 2 (далі по тексту " перекис") Воспламеняли горючі речовини, та так, що погасити їх не завжди вдавалося. Тому застосувати перекис в реальному житті як енергетичну субстанцію, та ще яка потребує додаткового окислювача, спало на думку інженеру Гельмуту Вальтеру з міста Кіль. А конкретно на підводних човнах, де потрібно враховувати кожен грам кисню, тим більше, що йшов 1933 рік, А фашистська верхівка приймала всіх заходів для підготовки до війни. Тут же роботи з перекисом були засекречені. Н 2 O 2 - продукт нестійкий. Вальтер знайшов продукти (каталізатори), які сприяли ще більш швидкому розкладанню перекису. Реакція відщеплення кисню ( Н 2 O 2 = Н 2 O + O 2) Йшла миттєво і до кінця. Однак виникла необхідність "позбутися" від кисню. Чому? Справа в тому що перекис найбагатше з'єднання з O 2 його майже 95% від всієї ваги речовини. А оскільки спочатку виділяється атомарний кисень, то не використовувати його як активний окислювач було просто незручно.

Тоді в турбіну, де і була застосована перекис, Стали подавати органічне паливо, а також воду, так як тепла виділялося дуже мало. Це сприяло зростанню потужності двигуна.

В 1937 році пройшли успішні стендові випробування парогазотурбінних установок, а в 1942 р була побудована перша підводний човен Ф-80, Яка розвивала під водою швидкість 28,1 вузла (52,04 км \\ год). Німецьке командування прийняло рішення про будівництво 24 субмарин, які повинні були мати по дві силові установки потужністю кожна 5000 к.с.. вони споживали 80% -ий розчин перекису. У Німеччині готувалися потужності з випуску 90000 тонн перекису на рік. Однак для "тисячолітнього рейху" настав безславний кінець ...

Слід зазначити, що в Німеччині перекис стали застосовувати в різних модифікаціях літаків, а також на ракетах Фау-1 і Фау-2. Ми знаємо, що всі ці роботи так і не змогли змінити хід подій ...

У Радянському Союзі роботи з перекисом велися також в інтересах підводного флоту. В 1947 році дійсний член Академії наук СРСР Б. С. Стечкин, Який консультував фахівців з рідинно-реактивним двигунам, яких назвали тоді ЖРДістамі, в інституті Академії артилерійських наук, дав завдання майбутньому академіку (а тоді ще інженеру) Варшавському І. Л. зробити двигун на перекису, Запропонований академіком Е. А. Чудакова. Для цього були використані серійні дизельні двигуни підводних човнів типу " щука". А практично" благословення "на роботи дав сам Сталін. Це дозволило форсувати розробки і отримати на борту човна додатковий обсяг, де можна було розмістити торпеди та інше озброєння.

роботи з перекисом були виконані академіками Стечкиним, Чудакова і Варшавським в дуже короткі терміни. до 1953 року, за наявною інформацією, було обладнано 11 підводних човнів. На відміну від робіт з перекисом, Що велися США і Англією, наші підводні човни не залишали за собою ніякого сліду, в той час як газотурбінні (США і АНГЛІЯ) мали демаскирующий бульбашковий шлейф. Але крапку в вітчизняному впровадженні перекису і застосування її для підводних човнів поставив Хрущов: Країна перейшла на роботу з атомними субмаринами. І потужний заділ Н 2-зброї порізали на металобрухт.

Однак, що ж ми маємо в "сухому залишку" з перекисом? Виявляється, що її потрібно десь готувати, а потім вже заправляти баки (танки) машин. Це не завжди зручно. Тому краще б отримувати її безпосередньо на борту машини, а ще краще перед уприскуванням в циліндр або перед подачею на турбіну. В цьому випадку гарантувалася б повна безпека всіх робіт. Але які вихідні рідини для отримання її потрібні? Якщо брати якусь кислоту і перекис, Скажімо, барію ( Ва O 2), То цей процес стає досить незручним для використання безпосередньо на борту того ж "Мерседеса"! Тому звернемо увагу на просту воду - Н 2 O! Виявляється, її для отримання перекису можна спокійно і ефективно використовувати! А потрібно всього лише заправити баки звичайної колодязної водою і можна вирушати в путь-дорогу.

Єдине застереження: при такому процесі знову утворюється атомарний кисень (згадайте реакцію, з якою зіткнувся Вальтер), Але і тут з ним, як виявилося, можна вчинити розумно. Для його правильного використання потрібна водопаливної емульсія, в складі якої досить мати хоча б 5-10% нікого вуглеводневого палива. Той же мазут цілком може підійти, зате навіть при його застосуванні вуглеводневі фракції забезпечать флегматизацію кисню, тобто вступлять з ним в реакцію і дадуть додатковий імпульс, що виключає можливість неконтрольованого вибуху.

За всіма розрахунками тут вступає в свої права кавітація, утворення активних бульбашок, які здатні зруйнувати структуру молекули води, виділити гідроксильну групу ВІН і змусити її з'єднатися з такою ж групою, щоб отримати потрібну молекулу перекису Н 2 O 2.

Такий підхід дуже вигідний з будь-яких точок зору, бо дозволяє виключити процес виготовлення перекису поза об'єктом використання (тобто дає можливість створювати її прямо в двигуні внутрішнього згоряння). Це дуже вигідно, оскільки виключає етапи окремої заправки і зберігання Н 2 O 2. Виходить, що тільки в момент вприскування відбувається утворення потрібного нам з'єднання і, минаючи процес зберігання, перекис вступає в роботу. А в баках того ж авто може знаходиться водопаливної емульсія з мізерним відсотком вуглеводневого палива! Ось краса була б! І зовсім не страшно було б, якщо один літр пального мав ціну навіть у 5 доларів США. У перспективі можна перейти на тверде пальне типу кам'яного вугілля, і спокійно синтезувати з нього бензини. Вугілля ще вистачить на кілька сотень років! Тільки Якутія на невеликій глибині зберігає мільярди тонн цього викопного. Це величезний регіон, обмежений знизу ниткою БАМу, північний кордон якого сягає далеко вище річок Алдан й Мая ...

Однак перекису за описаною схемою можна готувати з будь-яких вуглеводнів. Думаю, що головне слово в цьому питанні залишилося за нашими вченими і інженерами.

Використання: в двигунах внутрішнього згоряння, зокрема в способі забезпечення поліпшеного згоряння палив за участю вуглеводневих сполук. Суть винаходу: в способі передбачається введення в композицію 10-80 об. % Перекису або пероксо-з'єднання. Композицію вводять окремо від палива. 1 з.п. ф-ли, 2 табл.

Винахід відноситься до способу і рідкої композиції для ініціювання та оптимізації спалювання вуглеводневих сполук і зниження концентрації шкідливих сполук у вихлопних газах і викидах, де рідку композицію, яка містить пероксид або пероксо-з'єднання, подають в повітря спалювання або в Топлівновоздушная суміш. Передумови до створення винаходу. В останні роки все більша увага приділяється забруднення навколишнього середовища і високому енерговитрати особливо через драматичної загибелі лісів. Однак вихлопні гази завжди були проблемою населених центрів. Незважаючи на постійне вдосконалення моторів і нагрівальної техніки з меншими викидами або вихлопними газами, все зростаюче число автомобілів і установок спалювання призвело до загального збільшення кількості вихлопних газів. Первинною причиною забруднення вихлопних газів і великої витрати енергії є неповне згоряння. Схема процесу спалювання, ефективність системи запалювання, якість палива і Топлівновоздушная суміші визначає ефективність спалювання і зміст незгорілих і небезпечних сполук в газах. Для зниження концентрації цих сполук застосовують різні способи , Наприклад рециркуляцию і добре відомі каталізатори, що призводять до допалюванням вихлопних газів поза зоною основного спалювання. Спалювання - це реакція сполуки з киснем (О2) під дією теплоти. Такі сполуки, як вуглець (С), водень (Н 2), вуглеводні і сірки (S) генерують досить теплоти для підтримки свого горіння, а наприклад азот (N 2) вимагає підведення теплоти для окислення. При високій температурі 1200-2500 о С і достатній кількості кисню досягається повне згоряння, де кожне з'єднання пов'язує максимальну кількість кисню. Кінцевими продуктами є СО 2 (двоокис вуглецю), Н 2 О (вода), SО 2 і SО 3 (оксиди сірки) і іноді NО і NО 2 (оксиди азоту, NО х). Оксиди сірки і азоту відповідальні за закислення навколишнього середовища, їх небезпечно вдихати і особливо останні (NО х) поглинають енергію згоряння. Можна також отримувати холодні пламена, наприклад блакитне нестійке полум'я свічки, де температура лише близько 400 о С. Окислення тут не є повним і кінцевими продуктами можуть бути Н 2 О 2 (перекис водню), СО (моноокись вуглецю) і можливо С (кіптява) . Два останніх зазначених з'єднання, як і NО, шкідливі і можуть давати енергію при повному згорянні. Бензин - це суміш вуглеводнів сирої нафти з температурами кипіння в інтервалі 40-200 о С. Він містить близько 2000 різних вуглеводнів з 4-9 атомами вуглецю. Докладний процес спалювання дуже складний і для простих сполук. Молекули палива розкладаються на більш дрібні фрагменти, більшість з яких представляють собою так звані вільні радикали, тобто нестабільні молекули, які швидко реагують, наприклад, з киснем. Найбільш важливими радикалами є атомарний кисень О, атомарний водень Н і гідроксильний радикал ОН. Останній особливо важливий для розкладання і окислення палива як за рахунок прямого приєднання, так і відщеплення водню, в результаті чого утворюється вода. На початку ініціювання спалювання вода вступає в реакцію H 2 O + M ___ H + CH + M де М - інша молекула, наприклад азот, або стінка або поверхню іскрового електрода, з якою стикається молекула води. Оскільки вода - це дуже стабільна молекула, то для її розкладання потрібно дуже висока температура. Кращою альтернативою є додавання перекису водню, яка розкладається аналогічним чином H 2 O 2 + M ___ 2OH + M Ця реакція протікає набагато легше і при більш низькій температурі, особливо на поверхні, де підпалювання паливно-повітряної суміші протікає легше і більш контрольованим чином. Додатковим позитивним ефектом поверхневої реакції є те, що перекис водню легко реагує з кіптявою і смолою на стінках і свічці запалювання з утворенням діоксиду вуглецю (СО 2), що призводить до чищення електродної поверхні і краще запалювання. Вода і перекис водню сильно знижують вміст СО у вихлопних газах наступною схемою 1) CO + O 2 ___ CO 2 + O: ініціювання 2) O: + H 2 O ___ 2OH розгалуження 3) OH + CO ___ CO 2 + H зростання 4) H + O 2 ___ OH + O; розгалуження З реакції 2) видно, що вода відіграє роль каталізатора і потім утворюється знову. Оскільки перекис водню призводить до у багато тисяч разів більше високому вмісту ОН радикалів, ніж вода, то стадія 3) значно прискорюється, приводячи до видалення більшої частини утворюється СО. В результаті звільняється додаткова енергія, яка допомагає підтримувати горіння. NО і NО 2 є високотоксичними сполуками і приблизно в 4 рази більш токсичні, ніж СО. При гострому отруєнні пошкоджуються легеневі тканини. NО є небажаним продуктом згоряння. У присутності води NО окислюється до НNО 3 і в цій формі викликає приблизно половину закислення, а інша половина обумовлена \u200b\u200bН 2 SО 4. Крім того, NО х можуть розкладати озон у верхніх шарах атмосфери. Більша частина NО утворюється в результаті реакції кисню з азотом повітря при високих температурах і, отже, не залежить від складу палива. Кількість які виникають ПО х залежить від тривалості підтримки умов спалювання. Якщо зниження температури проводиться дуже повільно, то це призводить до рівноваги при помірно високих температурах і до відносно низькій концентрації NО. Наступні способи можна використовувати для досягнення низького вмісту NО. 1. Двостадійне спалювання збагаченої паливом суміші. 2. Низька температура спалювання за рахунок: а) великого надлишку повітря,
b) сильного охолодження,
с) рециркуляції газів спалювання. Як часто спостерігається при хімічному аналізі полум'я, концентрація NО в полум'я вища, ніж після нього. Це процес розкладання О. Можлива реакція:
СH 3 + NO ___ ... H + H 2 O
Таким чином, освіта N 2 підтримується умовами, що дають високу концентрацію CH 3 в гарячих збагачених паливом полум'ям. Як показує практика, палива, що містять азот, наприклад у формі таких гетероциклічних сполук, як піридин, дають більшу кількість NО. Зміст N в різних паливах (Приблизне),%: Cирая нафту 0,65 Асфальт 2,30 Важкі бензини 1,40 Легкі бензини 0,07 Вугілля 1-2
В SE-В-429.201 описана рідка композиція, що містить 1-10 об.% Перекису водню, а решта - вода, алифатический спирт, мастило і можливо інгібітор корозії, де зазначену рідку композицію подають в повітря спалювання або в топливовоздушную суміш. При такому низькому вмісті перекису водню утворюється кількість ОН-радикалів мало як для реакції з паливом, так і з СО. За винятком складів, що призводять до самозаймання палива, що досягається тут позитивний ефект малий у порівнянні з додаванням однієї води. B DЕ-А-2.362.082 описано додавання окисляє агента, наприклад, перекису водню, при спалюванні, проте перекис водню розкладають на воду і кисень за допомогою каталізатора перед її введенням в повітря спалювання. Мета і найбільш важливі ознаки даного винаходу. Метою даного винаходу є поліпшення спалювання і зниження викиду шкідливих вихлопних газів при процесах горіння, які залучають вуглеводневі сполуки, за рахунок поліпшеного ініціювання горіння і підтримки оптимального і повного згоряння в таких хороших умовах, що вміст шкідливих вихлопних газів сильно знижується. Це досягається тим, що в повітря спалювання або в повітряно-паливну суміш подають рідку композицію, яка містить пероксид або пероксо-з'єднання і воду, де рідка композиція містить 10-80 об.% Пероксиду або пероксо-з'єднання. У лужних умовах перекис водню розкладається на гідроксильні радикали і пероксидні іони за наступною схемою:
H 2 O 2 + HO 2 ___ HO + O 2 + H 2 O
Утворені гідроксильні радикали можуть реагувати один з одним, з пероксидними іонами або з перекисом водню. В результаті цих представлених нижче реакцій утворюються перекис водню, газоподібний кисень і гідроперекісние радикали:
HO + HO ___ H 2 O 2
HO + O ___ 3 O 2 + OH -
HO + H 2 O 2 ___ HO 2 + H 2 O Відомо, що рКа пероксидних радикалів одно 4,88 0,10 і це означає, що все гідропероксірадікали диссоциируют до пероксидних іонів. Пероксидні іони можуть також реагувати з перекисом водню, один з одним або захоплювати утворюється синглетний кисень. 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 чином утворюється газоподібний кисень, гідроксильні радикали, синглетний кисень, перекис водню і триплетний кисень з виділенням енергії 22 ккал. Підтверджено також, що іони важких металів, присутні при каталітичному розкладанні перекису водню, дають гідроксильні радикали і пероксидні іони. Є відомості про константи швидкості, наприклад такі дані для типових алканів нафти. Константи швидкостей взаємодії н-октану з Н, О і ОН. к \u003d А ехp / E / RT Реакція А / см 3 / моль: c / E / кДж / моль / н-С 8 Н 18 + Н 7,1: 10 14 35,3
+ Про 1,8: 10 14 19,0
+ ОН 2,0: 10 13 3,9
З цього прикладу ми бачимо, що атака ОН-радикалами протікає швидше і при більш низькій температурі, ніж Н і О. Константа швидкості реакції СО + + ОН _ СО 2 + Н має незвичайну температурну залежність в силу негативної енергії активації і високого температурного коефіцієнта. Її можна записати в такий спосіб: 4,4 x 10 6 х Т 1,5 ехр / 3,1 / RT. Швидкість реакції буде майже постійною і рівною близько 10 11 см 3 / моль сек при температурах нижче 1000 о К, тобто аж до кімнатної температури. Вище 1000 о К швидкість реакції зростає в кілька разів. В силу цього реакція повністю домінує в перетворенні СО в СО 2 при спалюванні вуглеводнів. В силу цього раннє і повне згоряння СО покращує термічну ефективність. Приклад, який ілюструє антагонізм між О2 і ОН - це реакція NH 3 -H 2 О 2 -NО, де додавання Н 2 О 2 призводить до 90% зниження NО х в безкисневому середовищі. Якщо ж О2 присутній, то навіть при лише 2% ПО х зниження сильно зменшується. Відповідно до цього винаходом для генерування ОН-радикалів використовують Н 2 О 2, дисоціюють приблизно при 500 о С. Їх час життя одно максимум 20 мсек. При нормальному спалюванні етанолу 70% палива витрачається на реакцію з ОН-радикалами і 30% - з Н-атомами. В даному винаході, де вже на стадії ініціювання горіння утворюються ОН-радикали, різко поліпшується спалювання за рахунок негайної атаки палива. При додаванні рідкої композиції з високим вмістом перекису водню (вище 10%) є досить ОН-радикалів для негайного окислення утворюється СО. При більш низьких змістах перекису водню утворюються ОН-радикалів недостатньо для взаємодії як з паливом, так і з СО. Рідка композиція подається таким чином, що відсутній хімічна реакція в проміжку між контейнером з рідиною і камерою згоряння, тобто розкладання перекису водню на воду і газоподібний кисень не протікає, і рідина без змін досягає безпосередньо зони згоряння або передкамери, де суміш рідини і палива підпалюється поза основної камери згоряння. При досить високій концентрації перекису водню (близько 35%) може протікати самозаймання палива і підтримання горіння. Підпалювання суміші рідини з паливом може протікати шляхом самозаймання або контакту з каталітичної поверхнею, при якому запал або щось подібне не потрібно. Підпалювання може здійснюватися через теплову енергію, наприклад, запал нагромаджує тепло, відкрите полум'я і т.п. Змішання алифатического спирту з перекисом водню може ініціювати самозаймання. Це особливо корисно в системі з попередньою камерою, де можна не допускати змішування перекису водню зі спиртом до досягнення попередньої камери. Якщо забезпечити кожен циліндр інжекторним клапаном для рідкої композиції, то досягається дуже точне і адаптоване для всіх сервісних умов дозування рідини. За допомогою контролюючого пристрою, що регулює інжекторні клапани, і різних датчиків, з'єднаних з мотором, що подають в контролюючий пристрій сигнали про положення вала двигуна, швидкості мотора і навантаженні і, можливо, про температуру запалювання, можна досягти послідовної інжекції і синхронізації відкривання і закривання інжекторних клапанів і дозування рідини не тільки залежно від навантаження і потрібної потужності, а також зі швидкістю мотора і температурою інжектіруемого повітря, що призводить до хорошого руху у всіх умовах. Рідка суміш в деякій мірі замінює подачу повітря. Було проведено велику кількість випробувань для виявлення відмінностей в ефекті між сумішами води і перекису водню (23 і 35% відповідно). Навантаження, які обрані, відповідають руху по високошвидкісний трасі і в містах. Випробовувався мотор В20Е з водяним гальмом. Мотор прогрівався перед випробуванням. При високошвидкісний навантаженні на мотор виділення NО х, СО і НС підвищується при заміні перекису водню на воду. Зміст NО х знижується при збільшенні кількості перекису водню. Вода також знижує вміст NО х, однак при цьому навантаженні потрібно в 4 рази більше води, ніж 23% перекису водню для того ж зниження вмісту NО х. При навантаженні руху по місту спочатку подають 35% перекису водню, при цьому швидкість і момент мотора дещо зростають (20-30 оборотів в хв / 0,5-1 нМ). При переході на 23% перекис водню момент і швидкість мотора знижуються при одночасному зростанні змісту NО х. При подачі чистої води важко підтримувати обертання мотора. Зміст НС різко зростає. Таким чином, перекис водню поліпшує згоряння, одночасно знижуючи вміст NО х. Випробування, проведені в Шведської Інспекції моторів і транспорту на моделях SAAB 900i і VoIvo 760 Тurbo з примешивания і без примешивания до палива 35% перекису водню дали наступні результати по виділенню СО, НС, NО х і СО 2. Результати представлені в% величин, отриманих при використанні перекису водню, щодо результатів без використання суміші (таблиця 1). При випробуванні на Volvo 245 G14FK / 84 при холостому ході вміст СО дорівнювало 4% і зміст НС 65 ч / млн без пульсації повітря (очищення вихлопного газу). При змішуванні з 35% розчином перекису водню вміст СО знизилося до 0,05%, а НС-вміст - до 10 год / млн. Час запалювання дорівнювало 10 про і обороти на холостому ході дорівнювали 950 об / хв в обох випадках. У випробуваннях, проведених в Норвезькому морському технологічному дослідницькому інституті А / S в Трондхайм виділення НС, СО і NО х перевіряли для Volvo 760 Turbo після ЕСЕ-регулювання N 15.03 з прогрітим мотором, починаючи з використання або без використання 35% розчину перекису водню при спалюванні (Таблиця 2). Вище зазначено використання тільки перекису водню. Аналогічний ефект може бути досягнутий також з іншими перекису і пероксо-з'єднаннями, як неорганічними, так і органічними. Рідка композиція, крім перекису і води, може містити також до 70% алифатического спирту з 1-8 атомами вуглецю і до 5% олії, що містить інгібітор корозії. Кількість рідкої композиції, домішують в паливу, може варіюватися від декількох десятих часток відсотка рідкої композиції від кількості палива до декількох сотень%. Великі кількості використовуються, наприклад, для важкозаймистих палив. Рідку композицію можна використовувати в двигунах внутрішнього згоряння і в інших процесах спалювання за участю таких вуглеводнів, як нафта, вугілля, біомаса та ін., В спалюють печах для більш повного згоряння і зниження вмісту шкідливих сполук у викидах.

формула винаходу

1. СПОСІБ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПОЛІПШЕНОГО відпрацьованих газів ЗА УЧАСТЮ ВУГЛЕВОДНЕВИХ СОЕДИНЕНИЙ, при якому в повітря для горіння або топливовоздушную суміш відповідно вводять рідку композицію, що містить перекис або пероксосоедіненія і воду, що відрізняється тим, що, з метою зменшення вмісту шкідливих сполук у вихлопних газах-викидах, рідка композиція містить 10 - 60 об. % Перекису або пероксосоедіненія і її вводять безпосередньо і окремо від палива в камеру згоряння без попереднього розкладання перекису або пероксосоедіненія або її вводять в попередню камеру, де суміш палива і рідкої композиції воспламеняют поза основної камери згоряння. 2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що вводять алифатический спирт, що містить 1 - 8 атомів вуглецю, в попередню камеру окремо.

Перекис водню H 2 O 2 - прозора безбарвна рідина, помітно більш в'язка, ніж вода, з характерним, хоча і слабким запахом. Безводну перекис водню важко отримати і зберігати, і вона є занадто дорогою для використання в якості ракетного палива. Взагалі, дорожнеча - один з головних недоліків перекису водню. Зате, в порівнянні з іншими окислювачами, вона більш зручна і менш небезпечна в зверненні.
Схильність перекису до мимовільного розкладанню традиційно перебільшується. Хоча ми і спостерігали зниження концентрації з 90% до 65% за два роки зберігання в літрових поліетиленових пляшках при кімнатній температурі, але в більших обсягах і в більш підходящої тарі (наприклад, в 200-літровій бочці з досить чистого алюмінію) швидкість розкладання 90% -й перекису склала б менше 0,1% в рік.
Щільність безводної перекису водню перевищує 1450 кг / м 3, що значно більше, ніж у рідкого кисню, і трохи менше, ніж у азотнокислим окислювачів. На жаль, домішки води швидко зменшують її, так що 90% -й розчин має щільність 1380 кг / м 3 при кімнатній температурі, але це все ще дуже непоганий показник.
Перекис в ЖРД може застосовуватися і як унітарна паливо, і як окислювач - наприклад, в парі з гасом або спиртом. Ні гас, ні спирт не самовоспламеняются з перекисом, і для забезпечення запалювання в пальне доводиться додавати каталізатор розкладання перекису - тоді тепла, що виділяється досить для займання. Для спирту придатним каталізатором є ацетат марганцю (II). Для гасу теж існують відповідні добавки, але їх склад тримається в секреті.
Застосування перекису як унітарної палива обмежена її порівняно низькими енергетичними характеристиками. Так, що досягається питомий імпульс в вакуумі для 85% -й перекису становить лише близько 1300 ... 1500 м / с (для різних ступенів розширення), а для 98% -й - приблизно 1600 ... 1800 м / с. Проте, перекис була застосована спочатку американцями для орієнтації спускається космічного корабля «Меркурій», потім, з тією ж метою, радянськими конструкторами на СА КК «Союз». Крім того перекис водню використовується як допоміжне паливо для приводу ТНА - вперше на ракеті V-2, а потім на її «нащадків», аж до Р-7. Всі модифікації «сімок», включаючи найсучасніші, як і раніше використовують перекис для приводу ТНА.
В якості окислювача перекис водню ефективна з різними горючими. Хоча вона і дає менший питомий імпульс, ніж чим рідкий кисень, але при застосуванні перекису високої концентрації значення УІ перевищують такі для азотнокіслотних окислювачів з тими ж горючими. З усіх ракет-носіїв космічного призначення лише одна використовувала перекис (в парі з гасом) - англійська «Black Arrow». Параметри її двигунів були скромні - УІ двигунів I ступені трохи перевищував 2200 м / с у землі і 2500 м / с у вакуумі, - так як в цій ракеті використовувалася перекис всього лише 85% концентрації. Зроблено це було через те, що для забезпечення самозаймання перекис розкладалася на срібному каталізаторі. Більш концентрована перекис розплавила б срібло.
Незважаючи на те, що інтерес до перекису час від часу активізується, перспективи її залишаються туманними. Так, хоча радянський ЖРД РД-502 ( паливна пара - перекис плюс пентаборан) і продемонстрував питомий імпульс 3680 м / с, він так і залишився експериментальним.
У наших проектах ми орієнтуємося на перекис ще й тому, що двигуни на ній виявляються більш «холодними», ніж аналогічні двигуни з таким же УІ, але на інших паливах. Наприклад, продукти згоряння «карамельного» палива мають майже на 800 ° велику температуру при тому ж досягається УІ. Це пов'язано з великою кількістю води в продуктах реакції перекису і, як наслідок, з низькою середньою молекулярною масою продуктів реакції.

Перекис водню H2O2 - прозора безбарвна рідина, помітно більш в'язка, ніж вода, з характерним, хоча і слабким запахом. Безводну перекис водню важко отримати і зберігати, і вона є занадто дорогою для використання в якості ракетного палива. Взагалі, дорожнеча - один з головних недоліків перекису водню. Зате, в порівнянні з іншими окислювачами, вона більш зручна і менш небезпечна в зверненні.
Схильність перекису до мимовільного розкладанню традиційно перебільшується. Хоча ми і спостерігали зниження концентрації з 90% до 65% за два роки зберігання в літрових поліетиленових пляшках при кімнатній температурі, але в більших обсягах і в більш підходящої тарі (наприклад, в 200-літровій бочці з досить чистого алюмінію) швидкість розкладання 90% -й перекису склала б менше 0,1% в рік.
Щільність безводної перекису водню перевищує 1450 кг / м3, що значно більше, ніж у рідкого кисню, і трохи менше, ніж у азотнокислим окислювачів. На жаль, домішки води швидко зменшують її, так що 90% -й розчин має щільність 1380 кг / м3 при кімнатній температурі, але це все ще дуже непоганий показник.
Перекис в ЖРД може застосовуватися і як унітарна паливо, і як окислювач - наприклад, в парі з гасом або спиртом. Ні гас, ні спирт не самовоспламеняются з перекисом, і для забезпечення запалювання в пальне доводиться додавати каталізатор розкладання перекису - тоді тепла, що виділяється досить для займання. Для спирту придатним каталізатором є ацетат марганцю (II). Для гасу теж існують відповідні добавки, але їх склад тримається в секреті.
Застосування перекису як унітарної палива обмежена її порівняно низькими енергетичними характеристиками. Так, що досягається питомий імпульс в вакуумі для 85% -й перекису становить лише близько 1300 ... 1500 м / с (для різних ступенів розширення), а для 98% -й - приблизно 1600 ... 1800 м / с. Проте, перекис була застосована спочатку американцями для орієнтації спускається космічного корабля «Меркурій», потім, з тією ж метою, радянськими конструкторами на СА КК «Союз». Крім того перекис водню використовується як допоміжне паливо для приводу ТНА - вперше на ракеті V-2, а потім на її «нащадків», аж до Р-7. Всі модифікації «сімок», включаючи найсучасніші, як і раніше використовують перекис для приводу ТНА.
В якості окислювача перекис водню ефективна з різними горючими. Хоча вона і дає менший питомий імпульс, ніж чим рідкий кисень, але при застосуванні перекису високої концентрації значення УІ перевищують такі для азотнокіслотних окислювачів з тими ж горючими. З усіх ракет-носіїв космічного призначення лише одна використовувала перекис (в парі з гасом) - англійська «Black Arrow». Параметри її двигунів були скромні - УІ двигунів I ступені трохи перевищував 2200 м / с у землі і 2500 м / с у вакуумі, - так як в цій ракеті використовувалася перекис всього лише 85% концентрації. Зроблено це було через те, що для забезпечення самозаймання перекис розкладалася на срібному каталізаторі. Більш концентрована перекис розплавила б срібло.
Незважаючи на те, що інтерес до перекису час від часу активізується, перспективи її залишаються туманними. Так, хоча радянський ЖРД РД-502 (паливна пара - перекис плюс пентаборан) і продемонстрував питомий імпульс 3680 м / с, він так і залишився експериментальним.
У наших проектах ми орієнтуємося на перекис ще й тому, що двигуни на ній виявляються більш «холодними», ніж аналогічні двигуни з таким же УІ, але на інших паливах. Наприклад, продукти згоряння «карамельного» палива мають майже на 800 ° велику температуру при тому ж досягається УІ. Це пов'язано з великою кількістю води в продуктах реакції перекису і, як наслідок, з низькою середньою молекулярною масою продуктів реакції.

Торпедні двигуни: вчора і сьогодні

ВАТ «НДІ мортеплотехнікі» залишилося єдиним підприємством в Російської Федерації, Що здійснює повномасштабну розробку теплових енергоустановок

У період від заснування підприємства і до середини 1960-х рр. головна увага приділялася розробці турбінних двигунів для протикорабельних торпед з робочим діапазоном роботи турбін на глибинах 5-20 м. Протичовнові торпеди проектувалися тоді тільки на електроенергетиці. У зв'язку з умовами застосування протикорабельних торпед важливими вимогами до енергосилових установок були максимально можлива потужність і візуальна непомітність. Вимога по візуальної непомітності легко виконувалося за рахунок застосування двокомпонентного палива: гасу і маловодного розчину перекису водню (МПВ) концентрації 84%. У продуктах згоряння містився водяна пара і діоксид вуглецю. Вихлоп відпрацьованих газів за борт здійснювався на відстані 1000-1500 мм від органів управління торпедою, при цьому пар конденсировался, а двоокис вуглецю швидко розчинялася у воді так, що газоподібні продукти згоряння не тільки не досягали поверхні води, але і не чинили впливу на рулі і гребні гвинти торпеди.

Максимальна потужність турбіни, досягнута на торпеді 53-65, склала 1070 кВт і забезпечувала рух зі швидкістю близько 70 вузлів. Це була сама швидкісна торпеда в світі. Для зниження температури продуктів згоряння палива з 2700-2900 К до прийнятного рівня в продукти згоряння впорскувалася морська вода. На початковій стадії робіт солі з морської води осідали в проточній частині турбіни і приводили до її руйнування. Це відбувалося до тих пір, поки не були знайдені умови безаварійної роботи, які мінімізують вплив солей морської води на працездатність газотурбінного двигуна.

При всіх енергетичних перевагах перексіда водню як окислювача, його підвищена вогнестійкість при експлуатації диктувала пошук застосування альтернативних окислювачів. Одним з варіантів подібних технічних рішень була заміна МПВ на газоподібний кисень. Турбінний двигун, розроблений на нашому підприємстві, зберігся, а торпеда, що отримала позначення 53-65К, успішно експлуатувалася і не знята з озброєння ВМФ до сих пір. Відмова від застосування МПВ в торпедних теплових енергосилових установках привів до необхідності проведення численних науково-дослідних робіт з пошуку нових палив. У зв'язку з появою в середині 1960-х рр. атомних підводних човнів, що мають високі швидкості підводного руху, протичовнові торпеди з електроенергетикою виявилися малоефективними. Тому поряд з пошуком нових палив досліджувалися нові типи двигунів і термодинамічні цикли. Найбільшу увагу було приділено створенню паротурбінної установки, що працює в замкнутому циклі Ренкіна. На етапах попередньої як стендової, так і морської відпрацювання таких агрегатів, як турбіна, парогенератор, конденсатор, насоси, клапана і всієї системи в цілому використовувалося паливо: гас і МПВ, а в основному варіанті - тверде гідрореагірующее паливо, що володіє високими енергетичними та експлуатаційними показниками .

Паротурбінна установка була успішно відпрацьована, але роботи по торпеді були зупинені.

У 1970-1980-х рр. велика увага приділялася розробці газотурбінних установок відкритого циклу, а також комбінованого циклу з застосуванням в системі газовихлопу ежектора на великих глибинах роботи. В якості палива використовувалися численні рецептури рідкого монотопліва типу Otto-Fuel II, в тому числі з добавками металевого пального, а також із застосуванням рідкого окислювача на основі гідроксил амонію перхлорат (НАР).

Практичний вихід отримало напрямок створення газотурбінної установки відкритого циклу на паливі типу Otto-Fuel II. Був створений турбінний двигун потужністю понад 1000 кВт для ударної торпеди калібру 650 мм.

В середині 1980-х рр. за результатами проведених досліджень керівництвом нашого підприємства було прийнято рішення про розвиток нового напряму - розробки для універсальних торпед калібру 533 мм аксіально поршневих двигунів на паливі типу Otto-Fuel II. Поршневі двигуни в порівнянні з турбінними володіють більш слабкою залежністю економічності від глибини ходу торпеди.

З 1986-го по 1991 рр. був створений аксіально-поршневий двигун (модель 1) потужністю близько 600 кВт для універсальної торпеди калібру 533 мм. Він успішно пройшов всі види стендових і морських випробувань. В кінці 1990-х років у зв'язку зі зменшенням довжини торпеди була створена друга модель цього двигуна шляхом модернізації в частині спрощення конструкції, підвищення надійності, виключення дефіцитних матеріалів і впровадження багаторежимна. Ця модель двигуна прийнята в серійної конструкції універсальної глибоководної самонавідною торпеди.

У 2002 р ВАТ «НДІ мортеплотехнікі» було доручено створення енергосилових установки для нової легкої протичовнової торпеди калібру 324 мм. Після аналізу різних типів двигунів, термодинамічних циклів і палив вибір був зроблений також, як і для важкої торпеди, на користь аксіально-поршневого двигуна відкритого циклу на паливі типу Otto-Fuel II.

Однак при проектуванні двигуна був врахований досвід слабких сторін конструкції двигуна важкої торпеди. новий двигун має принципово іншу кінематичну схему. У ньому відсутні елементи тертя в паливоподаючі тракті камери згоряння, що виключило можливість вибуху палива в процесі роботи. Обертові частини добре збалансовані, а приводи допоміжних агрегатів значно спрощені, що призвело до зниження виброактивности. Впроваджено електронну систему плавного регулювання витрати палива і відповідно потужності двигуна. Практично відсутні регулятори і трубопроводи. При потужності двигуна 110 кВт у всьому діапазоні необхідних глибин, на малих глибинах він допускає подвоєння потужності при збереженні працездатності. Широкий діапазон параметрів роботи двигуна дозволяє використовувати його в торпеди, антіторпедах, самохідних мінах, засобах гідроакустичного протидії, а також в автономних підводних апаратах військового і цивільного призначення.

Всі ці досягнення в області створення торпедних енергосилових установок були можливі в зв'язку з наявністю в ВАТ «НДІ мортеплотехнікі» унікальних експериментальних комплексів, створених як власними силами, Так і за рахунок державних коштів. Комплекси розташовуються на території близько 100 тис.м2. Вони забезпечені всіма необхідними системами енергозабезпечення, в тому числі системами повітря, води, азоту і палив високого тиску. В випробувальні комплекси входять системи утилізації твердих, рідких і газоподібних продуктів згоряння. У комплексах є стенди для випробувань макетних і повномасштабних турбінних та поршневих двигунів, а також двигунів інших типів. Є, крім того, стенди для випробувань палив, камер згоряння, різних насосів і приладів. стенди оснащені електронними системами управління, вимірювання і реєстрації параметрів, візуального спостереження випробовуваних об'єктів, а також аварійною сигналізацією і захистом обладнання.