Силова установка на перекису водню. Спосіб забезпечення поліпшеного згоряння за участю вуглеводневих сполук. Вимоги, що пред'являються до розробляється двигуну

Дане дослідження автору хотілося б присвятити одному відомому речовини. Речовині, який подарував світу Мерилін Монро і білі нитки, антисептики і піноутворювачі, епоксидний клей і реагент на визначення крові і навіть застосовується аквариумистами для освіження води і чищення акваріума. Йдеться про перекису водню, точніше, про один аспект її застосування - про її військову кар'єру.

Але перед тим, як приступити до основної частини, автор хотів би прояснити два моменти. Перше - назва статті. Варіантів було чимало, але в кінці кінців було вирішено скористатися назвою однієї з публікацій, написаних інженер-капітаном другого рангу Л.С. Шапіро, як найбільш чітко відповідає не тільки змістом, а й обставинами, які супроводжували впровадження перекису водню в військову практику.

Друге - чому автора зацікавило саме це речовина? А точніше - чому саме воно його зацікавило? Як не дивно, своєю абсолютно парадоксальною долею на військовому терені. Вся справа в тому, що перекис водню має цілий набір якостей, які, здавалося б, пророкували йому блискучу військову кар'єру. І з іншого боку, всі ці якості виявилися абсолютно непридатними для використання її в ролі військового запасу. Ну, не те щоб назвати його абсолютно непридатним - навпаки, вона використовувалася, і досить широко. Але з іншого боку, нічого екстраординарного з цих спроб не вийшло: перекис водню не може похвалитися таким значним послужним списком, як нітрати або вуглеводні. Виною всьому виявилася ... Втім, не будемо поспішати. Давайте просто розглянемо деякі найбільш цікаві та драматичні моменти військової перекису, а висновки кожен з читачів зробить самостійно. А оскільки кожна історія має свій початок, то познайомимося з обставинами народження героя оповідання.

Відкриття професора Тенара ...

За вікном стояв ясний морозний грудневий день 1818 року. Група студентів-хіміків Паризької Політехнічної школи квапливо заповнювала аудиторію. Охочих пропустити лекцію знаменитого професора школи і знаменитої Сорбонни (Паризького університету) Жана Луї Тенара не було: кожне його заняття було незвичайним і хвилюючим подорожжю в світ дивовижної науки. І ось, відчинивши двері, в аудиторію легкої пружною ходою (данина гасконським предкам) увійшов професор.

За звичкою кивнувши аудиторії, він швидко підійшов до довгого демонстраційного столу і сказав щось препаратором старому Лешо. Потім, піднявшись на кафедру, обвів поглядом студентів і неголосно почав:

Коли з передньої щогли фрегата матрос кричить «Земля!», І капітан вперше бачить в підзорну трубу невідомий берег, це великий момент в житті мореплавця. Але хіба не так само великий момент, коли хімік вперше виявляє на дні колби частки нового, досі нікому не відомого речовини?

Тенар зійшов з кафедри і підійшов до демонстраційного столика, на який Лешо вже встиг поставити нескладний прилад.

Хімія любить простоту, - продовжував Тенар. - Запам'ятайте це, панове. Тут тільки два скляних судини, зовнішній і внутрішній. Між ними сніг: нова речовина віддає перевагу з'являтися при низькій температурі. У внутрішній посудину налита розбавлена \u200b\u200bшестивідсоткова сірчана кислота. Зараз вона майже така ж холодна, як і сніг. Що ж станеться, якщо я кину в кислоту щіпку окису барію? Сірчана кислота і окис барію дадуть нешкідливу воду і білий осад - сірчанокислий барій. Це всім відомо.

H 2 SO4 + BaO \u003d BaSO4 + H2 O

В аудиторії було так тихо, що виразно чулося важке дихання застудженої Лешо. Тенар, обережно помішуючи скляною паличкою кислоту, повільно, по крупинці, сипав в посудину перекис барію.

Осад, звичайний сірчанокислий барій, ми Отфильтруем, - сказав професор, зливаючи воду з внутрішнього судини в колбу.

H 2 SO4 + BaO2 \u003d BaSO4 + H2 O2

Це особлива вода. У ній вдвічі більше кисню, ніж у звичайній. Вода - окис водню, а ця рідина - перекис водню. Але мені подобається інша назва - «окислена вода». І по праву першовідкривача я вважаю за краще це ім'я.

Коли мореплавець відкриває невідому землю, він вже знає: коли-небудь на ній виростуть міста, будуть прокладені дороги. Ми, хіміки, ніколи не можемо бути впевнені в долі своїх відкриттів. Що чекає нова речовина через століття? Бути може, таке ж широке застосування, як у сірчаної або соляної кислоти. А може бути, і повне забуття - за непотрібністю ...

Аудиторія зашуміла.

Але Тенар продовжував:

І все-таки я впевнений у великому майбутньому «окисленої води», адже вона містить велику кількість «життєдайного повітря» - кисню. І що найголовніше, він дуже легко виділяється з такої води. Вже одне це вселяє впевненість в майбутньому «окисленої води». Землеробство і ремесла, медицина і мануфактура, і я навіть не знаю ще, де знайде застосування «окислена вода»! Те, що сьогодні ще вміщається в колбі, завтра може владно увірватися в кожен будинок.

Професор Тенар повільно зійшов з кафедри.

Наївний паризький мрійник ... Переконаний гуманіст, Тенар завжди вважав, що наука повинна приносити людству блага, полегшуючи життя і роблячи її легше і щасливіше. Навіть постійно маючи перед очима приклади прямо протилежного характеру, він свято вірив у велике і мирне майбутнє свого відкриття. Іноді починаєш вірити в справедливість висловлювання «Щастя - в невіданні» ...

Втім, початок кар'єри перекису водню було цілком мирним. Вона справно працювала на текстильних фабриках, відбілюючи нитки і полотна; в лабораторіях, окислюючи органічні молекули і допомагаючи отримувати нові, неіснуючі в природі речовини; почала освоювати медичні палати, впевнено зарекомендував себе в якості місцевого антисептика.

Але незабаром з'ясувалися і деякі негативні сторони, Одним з яких виявилася низька стійкість: існувати вона могла тільки в розчинах щодо невеликій концентрації. А як водиться, раз концентрація не влаштовує, її треба підвищити. І ось з цього і почалося ...

... і знахідка інженера Вальтера

1934 рік у європейській історії виявився відзначений досить багатьма подіями. Деякі з них розбурхали сотні тисяч людей, інші пройшли тихо і непомітно. До перших, безумовно, можна віднести появу в Німеччині терміна «арійська наука». Що стосується другого, то це було раптове зникнення з відкритій пресі всіх згадувань про перекису водню. Причини цієї дивної пропажі стали зрозумілі тільки після нищівної поразки «тисячолітнього Рейху».

Все почалося з ідеї, що прийшла в голову Гельмуту Вальтеру - власникові невеликої фабрики в Кілі по виробництву точних інструментів, науково-дослідницької апаратури і реактивів для німецьких інститутів. Людиною він був здатним, ерудованим і, що важливо, заповзятливим. Він зауважив, що концентрована перекис водню може досить довго зберігатися в присутності навіть невеликих кількостей речовин-стабілізаторів, таких, наприклад, як фосфорна кислота або її солі. Особливо ефективним стабілізатором виявилася сечова кислота: для стабілізації 30 л висококонцентрованою перекису було досить 1 г сечової кислоти. Але внесення інших речовин, каталізаторів розкладання, призводить до бурхливого розкладанню речовини з виділенням великої кількості кисню. Таким чином, позначилася приваблива перспектива регулювання процесу розкладання за допомогою досить недорогих і простих хімічних речовин.

Само по собі все це було відомо вже давно, але, крім цього, Вальтер звернув увагу на іншу сторону процесу. Реакція розкладання перекису

2 H 2 O2 \u003d 2 H2 O + O2

Кіль був форпостом німецького підводного кораблебудування, і ідея підводного двигуна на перекису водню захопила Вальтера. Вона приваблювала своєю новизною, і до того ж інженер Вальтер був далеко не безсрібником. Він чудово розумів, що в умовах фашистської диктатури найкоротший шлях до благоденства - робота на військові відомства.

Уже в 1933 році Вальтер самостійно зробив дослідження енергетичних можливостей розчинів Н 2 O2. Він склав графік залежності основних теплофізичних характеристик від концентрації розчину. І ось що з'ясував.

Розчини, що містять 40-65% Н 2 O2, Розкладаючись, помітно нагріваються, але недостатньо для утворення газу високого тиску. При розкладанні більш концентрованих розчинів тепла виділяється набагато більше: вся вода випаровується без залишку, а залишкова енергія повністю витрачається на нагрів парогаза. І що ще дуже важливо; кожної концентрації відповідало строго певну кількість тепла, що виділяється. І строго певну кількість кисню. І, нарешті, третє - навіть стабілізована перекис водню практично миттєво розкладається під дією перманганатів калію KMnO 4 або кальцію Ca (MnO 4 )2 .

Вальтер зумів побачити абсолютно нову область застосування речовини, відомого більше ста років. І вивчив цю речовину з точки зору наміченого застосування. Коли свої міркування він довів до вищих військових кіл, надійшло негайне розпорядження: засекретити всі, що так чи інакше пов'язане з перекисом водню. Відтепер в технічній документації і листування фігурували "аурол", "оксілін", "паливо Т", але не загальновідома перекис водню.

Принципова схема парогазової турбінної установки, що працює за «холодного» циклу: 1 - гребний гвинт; 2 - редуктор; 3 - турбіна; 4 - сепаратор; 5 - камера розкладання; 6 - регулюючий клапан; 7- електронасос розчину перекису; 8 - еластичні ємності розчину перекису; 9 - безповоротний клапан видалення за борт продуктів розкладання перекису.

У 1936 році Вальтер представив керівництву підводного флоту першу установку, яка працювала на вказаному принципі, який, не дивлячись на досить високу температуру, Отримав назву «холодного». Компактна і легка турбіна розвинула на стенді потужність 4000 к.с., повністю виправдавши очікування конструктора.

Продукти реакції розкладання висококонцентрованого розчину перекису водню подавалися в турбіну, що обертає через понижуючий редуктор гребний гвинт, а потім відводилися за борт.

Незважаючи на очевидну простоту такого рішення, виникли попутні проблеми (а куди ж без них-то!). Наприклад, виявилося, що пил, іржа, луги та інші домішки теж є каталізаторами і різко (і що набагато гірше - непередбачувано) прискорюють розкладання перекису, чим створюють небезпеку вибуху. Тому для зберігання розчину перекису застосували еластичні ємності з синтетичного матеріалу. Такі ємності планувалося розміщувати за межами міцного корпусу, що дозволяло раціонально використовувати вільні обсяги межкорпусной простору і, крім того, створювати підпір розчину перекису перед насосом установки за рахунок тиску забортної води.

Але інша проблема виявилася значно складніше. Кисень, який містився в відпрацьованому газі, досить погано розчиняється у воді, і по-зрадницькому видавав розташування човни, залишаючи на поверхні слід з бульбашок. І це при тому, що «непотрібний» газ є життєво необхідною речовиною для корабля, покликаного перебувати на глибині якомога більший час.

Ідея використання кисню, як джерела окислення палива, була настільки очевидна, що Вальтер зайнявся паралельним проектуванням двигуна, який працював за «гарячим циклу». У цьому варіанті в камеру розкладання подавалося органічне паливо, яке згорали в раніше невикористаних кисні. Потужність установки різко зростала і, крім того, зменшувалася следность, так як продукт горіння - вуглекислий газ - значно краще кисню розчиняється в воді.

Вальтер усвідомлював недоліки «холодного» процесу, але мирився з ними, так як розумів, що в конструктивному відношенні така енергетична установка буде незрівнянно простіше, ніж при «гарячому» циклі, а значить, можна набагато швидше побудувати човен і продемонструвати її гідності .

У 1937 році Вальтер доповів результати своїх дослідів керівництву німецьких ВМС і запевнив усіх у можливості створення підводних човнів з парогазовими турбінними установками з небаченою досі швидкістю підводного ходу більше 20 вузлів. В результаті наради було прийнято рішення про створення дослідної підводного човна. У процесі її проектування вирішувалися питання, пов'язані не тільки із застосуванням незвичайної енергетичної установки.

Так, проектна швидкість підводного ходу робила неприйнятними раніше застосовувалися обводи корпусу. Тут морякам допомогли авіабудівники: кілька моделей корпусу зазнали в аеродинамічній трубі. Крім того, для поліпшення керованості застосували здвоєні керма за зразком рулів літака «Юнкерс-52».

У 1938 році в Кілі заклали першу в світі дослідну підводний човен з енергетичною установкою на перекису водню водотоннажністю 80 т, що отримала позначення V-80. Проведені в 1940 році випробування буквально приголомшили - відносно проста і легка турбіна потужністю 2000 к.с. дозволила підводному човні розвинути під водою швидкість 28,1 вузла! Правда, розплачуватися за таку небачену швидкість довелося незначною дальністю плавання: запасів перекису водню вистачало на півтори-дві години.

Для Німеччини під час Другої світової війни підводні човни були стратегічним, так як тільки з їх допомогою можна було завдати відчутної шкоди економіці Англії. Тому вже в 1941 році починається розробка, а потім будівництво підводного човна V-300 з парогазової турбіною, що працює за «гарячим» циклу.

Принципова схема парогазової турбінної установки, що працює за «гарячим» циклу: 1 - гребний гвинт; 2 - редуктор; 3 - турбіна; 4 - гребний електродвигун; 5 - сепаратор; 6 - камера горіння; 7 - запальний пристрій; 8 - клапан розпалювального трубопроводу; 9 - камера розкладання; 10 - клапан включення форсунок; 11 - трикомпонентний перемикач; 12 - чотирьохкомпонентний регулятор; 13 - насос розчину перекису водню; 14 - паливний насос; 15 - водяний насос; 16 - охолоджувач конденсату; 17 - конденсаційний насос; 18 - конденсатор змішання; 19 - газосборнік; 20 - вуглекислотний компресор

Човен V-300 (або U-791 - таке літерно-цифрове позначення вона отримала) мала дві рухові установки (Точніше, три): газову турбіну Вальтера, дизеля і електромотори. Такий незвичайний гібрид з'явився як результат розуміння того, що турбіна, по суті, є форсажного двигуном. Високий витрата компонентів палива робив її просто неекономічною для здійснення тривалих «холостих» переходів або тихого «підкрадання» до судів супротивника. Але вона була просто незамінна для швидкого відходу з позиції атаки, зміни місця атаки або інших ситуацій, коли «пахло смаженим».

U-791 так і не добудували, а відразу заклали чотири дослідно-бойові підводні човни двох серій - Wa-201 (Wa - Вальтер) і Wk-202 (Wk - Вальтер-Крупп) різних суднобудівних фірм. За своїм енергетичним установкам вони були ідентичні, але відрізнялися кормовим оперенням і деякими елементами обводів рубки і корпусу. З 1943 р почалися їх випробування, які проходили важко, але до кінця 1944р. всі основні технічні проблеми були позаду. Зокрема, U-792 (серія Wa-201) пройшла випробування на повну дальність плавання, коли, маючи запас перекису водню 40 т, вона майже чотири з половиною години йшла під форсажній турбіною і чотири години підтримувала швидкість 19,5 вузла.

Ці цифри настільки вразили керівництво Крігсмаріне, що не чекаючи закінчення випробувань дослідних підводних човнів, в січні 1943 р промисловості видається замовлення на будівництво відразу 12 кораблів двох серій - XVIIB і XVIIG. При водотоннажності 236/259 т вони мали дизель-електричну установку потужністю 210/77 к.с., що дозволяло рухатися зі швидкістю 9/5 вузлів. У разі бойової необхідності включалися дві ПДТУ загальної потужністю 5000 к.с., які дозволяли розвинути швидкість підводного ходу в 26 вузлів.

На малюнку умовно, схематично, без дотримання масштабів показано пристрій підводного човна з ПДТУ (з двох таких установок зображена одна). Деякі позначення: 5 - камера згоряння; 6 - запальний пристрій; 11 - камера розкладання перекису; 16 - трикомпонентний насос; 17 - паливний насос; 18 - водяний насос (за матеріалами http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/korabli_vmf_velikoy_otechestvennoy_voynyi_1972/v_nadejde_na_totalnuyu_voynu)

Коротенько робота ПДТУ виглядає таким чином. За допомогою насоса потрійної дії здійснювалася подача дизельного палива, Перекису водню і чистої води через 4-позиційний регулятор подачі суміші в камеру згоряння; при роботі насоса на 24000 об. / хв. подача суміші досягала таких обсягів: паливо - 1,845 куб.м / год, перекис водню - 9,5 куб.м / год, вода - 15,85 куб.м / год. Дозування трьох зазначених компонентів суміші проводилося за допомогою 4-позиційного регулятора подачі суміші в ваговому співвідношенні 1: 9: 10, який також регулював і 4-й компонент - морську воду, що компенсує різницю ваги перекису водню і води в регулюючих камерах. Регулюючі елементи 4-позиційного регулятора приводилися в дію електродвигуном потужністю 0,5 к.с. і забезпечували необхідну витрату суміші.

Після 4-позиційного регулятора перекис водню надходила в камеру каталітичного розкладання через отвори в кришці цього пристрою; на ситі якого знаходився каталізатор - керамічні кубики або трубчасті гранули довжиною близько 1 см, просочені розчином перманганату кальцію. Парогаза нагрівався до температури 485 градусів за Цельсієм; 1 кг елементів каталізатора пропускав до 720 кг перекису водню на годину при тиску 30 атмосфер.

Після камери розкладання він надходив в камеру згоряння високого тиску, виготовлену з міцної загартованої сталі. Вхідними каналами служили шість форсунок, бічні отвори яких служили для проходу парогаза, а центральне - для палива. Температура у верхній частині камери сягає 2000 градусів за Цельсієм, а в нижній частині камери знижувалася до 550-600 градусів за рахунок впорскування в камеру згоряння чистої води. Отримані гази подавалися на турбіну, після якої відпрацьована парогазова суміш надходила в конденсатор, встановлений на корпусі турбіни. За допомогою системи водяного охолодження температура суміші на виході опускалася до 95 градусів за Цельсієм, конденсат збирався в резервуарі для конденсату і за допомогою насоса для відбору конденсату надходив в холодильники морської води, що використовують для охолодження проточну морську воду при русі човна в підводному положенні. В результаті проходження по холодильниках температура отриманої води знижувалася з 95 до 35 градусів за Цельсієм, і вона поверталася по трубопроводу як чиста вода для камери згоряння. Залишки парогазової суміші у вигляді вуглекислого газу і пари під тиском 6 атмосфер відбиралися з резервуара для конденсату газовим сепаратором і віддалялися за борт. Вуглекислий газ відносно швидко розчинявся в морській воді, не залишаючи помітного сліду на поверхні води.

Як видно, навіть в такому популярному викладі ПДТУ не виглядає простим пристроєм, що вимагало залучення для її будівництва висококваліфікованих інженерів і робітників. Будівництво підводних човнів з ПДТУ велося в обстановці абсолютної таємності. На кораблі допускали строго обмежене коло осіб за списками, погодженими в вищих інстанціях вермахту. На контрольно-пропускних пунктах стояли жандарми, переодягнені у форму пожежних ... Паралельно нарощувалися виробничі потужності. Якщо в 1939 році Німеччина виробляла 6800 тонн перекису водню (в перерахунку на 80% -ний розчин), то в 1944 - вже 24 000 тон, і будувалися додаткові потужності на 90000 тонн на рік.

Ще не маючи повноцінних бойових підводних човнів з ПДТУ, не маючи досвіду їх бойового використання, грос-адмірал Деніц віщав:

Прийде день, коли я оголошу Черчиллю новий підводний війну. Підводний флот не був зломлений ударами 1943 року. Він став сильніше, ніж раніше. 1944 рік буде важким роком, але роком, який принесе великі успіхи.

Цікаво, згадував чи Карл Деніц ці свої гучні обіцянки протягом тих 10 років, які йому довелося проводити в тюрмі Шпандау за вироком Нюрнберзького трибуналу?

Фінал цих багатообіцяючих субмарин виявився плачевним: за весь час було побудовано тільки 5 (за іншими даними - 11) човнів з ПДТУ Вальтера, з яких тільки три пройшли випробування і були зараховані до бойового складу флоту. Що не мають екіпажу, не вчинили жодного бойового виходу, вони були затоплені після капітуляції Німеччини. Дві з них, затоплені на мілководній ділянці в британській зоні окупації, пізніше були підняті і переправлені: U-1406 в США, а U-1407 в Великобританію. Там фахівці ретельно вивчили ці підводні човни, а британці навіть провели натурні випробування.

Нацистське спадщина в Англії ...

Переправлені до Англії човна Вальтера не пішли на металобрухт. Навпаки, гіркий досвід обох минулих світових воєн на море вселив в британців переконаність в безумовному пріоритеті протичовнових сил. У числі інших Адміралтейством розглядалося питання створення спеціальної протичовнової ПЛ. Передбачалося розгортання їх на підходах до баз противника, де вони повинні були атакувати виходять в море підводного човна ворога. Але для цього самі протичовнові підводні човни повинні були володіти двома важливими якостями: здатністю тривалий час таємно перебувати під носом у противника і хоча б на короткий час розвивати великі швидкості ходу для швидкого зближення з противником і раптової його атаки. І німці представили їм непоганий заділ: РПД і газова турбіна. Найбільшу увагу було зосереджено на ПДТУ, як повністю автономну систему, яка, до того ж, забезпечувала воістину фантастичні для того часу підводні швидкості.

Німецька U-1407 була ескортував в Англію німецьким же екіпажем, який попередили про смертну кару в разі будь-яких диверсій. Туди ж доставили Гельмута Вальтера. Відновлена \u200b\u200bU-1407 була зарахована до складу ВМС під ім'ям «Метеорит». Прослужила вона до 1949 р, після чого була виведена зі складу флоту і в 1950 розібрана на метал.

Пізніше, в 1954-55 рр. англійці побудували дві однотипні опитовимі ПЛ «Експлорер» і «Екскалібур» власної конструкції. Втім, зміни стосувалися тільки зовнішнього вигляду і внутрішньої компонування, що ж стосується ПДТУ, то вона залишилася практично в первозданному вигляді.

Обидва човни так і не стали прабатьками чогось нового в англійському флоті. Єдине досягнення - отримані на випробуваннях «Експлорер» 25 вузлів підводного ходу, що дало англійцям привід розтрубили на весь світ про свій пріоритет на цей світовий рекорд. Ціна ж цього рекорду теж була рекордною: постійні відмови, проблеми, пожежі, вибухи приводили до того, що більшу частину часу вони проводили в доках і майстернях в ремонті, ніж в походах і випробуваннях. І це не рахуючи чисто фінансової сторони: один ходовий час «Експлорер» обходився в 5000 фунтів стерлінгів, що за курсом того часу дорівнює 12,5 кг золота. Виключені вони були зі складу флоту в 1962 ( «Експлорер») і в 1965 ( «Екскалібур») роках з убивчою характеристикою одного з британських підводників: «Найкраще, що можна зробити з перекисом водню - це зацікавити нею потенційних супротивників!»

... і в СРСР]
Радянському Союзу, на відміну від союзників, човни серії XXVI не достались, що не дісталася і технічна документація по цих розробок: «союзнички» залишилися вірними собі, в який раз скрисятнічав ласий шматочок. Але інформація, і досить велика, про ці невдалих новинки Гітлера в СРСР була. Оскільки російські і радянські хіміки завжди йшли в авангарді світової хімічної науки, рішення про дослідження можливостей настільки цікавого двигуна на чисто хімічної основі було прийнято швидко. Органам розвідки вдалося знайти і зібрати групу німецьких фахівців, які раніше працювали в цій області і які висловили бажання продовжити їх на колишнього супротивника. Зокрема, таке бажання висловив один із заступників Гельмута Вальтера якийсь Франц Статецкі. Статецкі і група «технічної розвідки» з вивезення з Німеччини військових технологій під керівництвом адмірала Л.А. Коршунова, знайшли в Німеччині фірму «Брюнер-Каніс-Рейдер», яка була суміжником у виготовленні турбінних установок Вальтера.

Для копіювання німецького підводного човна з силовою установкою Вальтера спочатку в Німеччині, а потім в СРСР під керівництвом А.А. Антипина було створено «бюро Антипина», організація, з якої стараннями головного конструктора підводних човнів (капітана I рангу А.А. Антипина) утворилися ЛПМБ «Рубін» і СПМБ «Малахіт».

Завданням бюро було вивчення і відтворення досягнень німців за новими підводним човнам (дизельним, електричним, парогазотурбінних), але основним завданням було повторення швидкостей німецьких підводних човнів з циклом Вальтера.

В результаті проведених робіт вдалося повністю відновити документацію, виготовити (частково з німецьких, частково з нововиготовлених вузлів) і випробувати парогазотурбінних установку німецьких човнів серії XXVI.

Після цього було вирішено будувати радянський підводний човен з двигуном Вальтера. Тема розробки підводних човнів з ПДТУ Вальтера отримала назву проект 617.

Олександр Тиклін, описуючи біографію Антипина, писав:

«... Це була перша підводний човен СРСР, переступила 18-вузлову величину підводного швидкості: протягом 6 годин її підводний швидкість становила понад 20 вузлів! Корпус забезпечував збільшення глибини занурення вдвічі, тобто до глибини 200 метрів. Але головною перевагою нового підводного човна була її енергетична установка, що стала дивним на ті часи нововведенням. І не випадково було відвідування цього човна академіками І.В. Курчатовим і А.П. Александровим - готуючись до створення атомних підводних човнів, вони не могли не познайомитися з першою в СРСР підводним човном, що мала турбінну установку. Згодом, багато конструктивні рішення були запозичені при розробці атомних енергетичних установок ... »

З-99 вважалася опитовимі з самого початку. На ній відпрацьовувалося вирішення питань, пов'язаних з великого підводного швидкістю: форма корпусу, керованість, стійкість руху. Дані, накопичені при її експлуатації, дозволили раціонально проектувати атомохода першого покоління.

У 1956 - 1958 роках були спроектовані великі човни проект 643 з надводним водотоннажністю в 1865 т і вже з двома ПДТУ, які повинні були забезпечити човні підводний швидкість в 22 вузла. Однак у зв'язку зі створенням ескізного проекту перших радянських підводних човнів з атомними силовими установками проект був закритий. Але дослідження ПДТУ човна С-99 не припинилися, а були переведені в русло розгляду можливості застосування двигуна Вальтера в розробляється гігантської торпеді Т-15 з атомним зарядом, запропонованої Сахаровим для знищення військово-морських баз і портів США. Т-15 повинна була мати довжину в 24 м, дальність підводного ходу до 40-50 миль, і нести термоядерну боєголовку, здатну викликати штучне цунамі для знищення прибережних міст США. На щастя, і від цього проекту теж відмовилися.

Небезпека перекису водню не забула позначитися і в радянському ВМФ. 17 травня 1959 на ній сталася аварія - вибух в машинному відділенні. Човен дивом не загинула, але її відновлення порахували недоцільним. Човен здали на металобрухт.

Надалі ПДТУ не набули поширення в підводному кораблебудуванні ні в СРСР, ні за кордоном. Успіхи атомної енергетики дозволили більш вдало вирішити проблему потужних підводних двигунів, які не потребують кисню.

Далі буде…

Ctrl Enter

помітили ош И БКУ Виділіть текст і натисніть Ctrl + Enter

У більшості пристроїв, що виробляють енергію за рахунок горіння, використовується метод спалювання палива в повітрі. Однак існують дві обставини, коли може виявитися бажаним або необхідним застосування не повітря, а іншого окислювача: 1) при необхідності генерування енергії в такому місці, де постачання повітрям обмежена, наприклад під водою або високо над поверхнею землі; 2) коли бажано отримати протягом короткого часу дуже велика кількість енергії з компактних її джерел, наприклад в гарматних метальних ВВ, в установках для зльоту літаків (прискорювачах) або в ракетах. У деяких таких випадках в принципі можна використовувати повітря, попередньо стиснений і зберігається у відповідних посудинах під тиском; однак такий метод часто є непрактичним, оскільки вага балонів (або сховищ інших видів) становить близько 4 кг на 1 кг повітря; вага самої тари для рідкого або твердого продукту дорівнює 1 кг / кг або навіть менше.

У тому випадку, коли застосовується невелике пристосування і основна увага приділяється простоті конструкції, наприклад в патронах вогнепальної зброї або в невеликій ракеті, використовується тверде паливо, що містить тісно змішані між собою пальне і окислювач. Системи рідкого палива складніше, але володіють двома певними перевагами в порівнянні з системами твердого палива:

1. Рідина можна зберігати в посудині з легкого матеріалу і нагнітати в камеру згоряння, розміри якої повинні задовольняти тільки вимогу забезпечення бажаної швидкості згоряння (техніка вдування твердої речовини в камеру згоряння під високим тиском, Взагалі кажучи, незадовільна; отже, вся завантаження твердого палива з самого початку повинна перебувати в камері згоряння, яка тому Повинна бути великий і міцної).
2. Швидкість генерування енергії можна змінювати і регулювати шляхом відповідної зміни швидкості подачі рідини. З цієї причини комбінації рідких окислювачів і горючих знаходять застосування для різних порівняно великих ракетних двигунів, для двигунів підводних човнів, торпед і т. П.

Ідеальний рідкий окислювач повинен відповідати високим вимогам бажаними властивостями, але найбільш важливі з практичної точки зору такі три: 1) виділення значної кількості енергії при реакції, 2) порівняльна стійкість до удару і підвищених температур і 3) низька виробнича собівартість. Разом з тим бажано, щоб окислювач не володів корозійними або токсичними властивостями, щоб він швидко реагував і володів належними фізичними властивостями, наприклад низькою точкою замерзання, високою точкою кипіння, великою щільністю, малої в'язкістю і т. Д. При застосуванні в якості складової частини ракетного палива особливе значення має і досягається температура полум'я і середня молекулярна вага продуктів згоряння. Очевидно, що жодна хімічна сполука не може задовольняти всім вимогам, що пред'являються до ідеального окислювача. І дуже мало речовин, які взагалі хоча б приблизно володіють бажаною комбінацією властивостей, причому тільки три з них знайшли деякий застосування: рідкий кисень, концентрована азотна кислота і концентрована перекис водню.

Перекис водню володіє тим недоліком, що навіть при 100% -ної концентрації вона містить лише 47 мас.% Кисню, який може бути використаний для спалювання палива, тоді як в азотній кислоті зміст активного кисню становить 63,5%, а для чистого кисню можливо навіть 100% -ве використання. Цей недолік компенсується значним виділенням тепла при розкладанні перекису водню на воду і кисень. Фактично потужності цих трьох окислювачів або сили тяги, що розвиваються одиницею ваги їх, в будь-який певною системою і при будь-якому вигляді пального можуть відрізнятися максимум на 10-20%, а тому вибір того чи іншого окислювача для двокомпонентної системи зазвичай визначається іншими, міркуваннями Експериментальне дослідження застосування перекису водню в якості джерела енергії було вперше поставлено в Німеччині в 1934 р при пошуках нових видів енергії (незалежних від повітря) для руху підводних човнів, Це потенційне військове застосування стимулювало промисловий розвиток методу фірми «Electrochemische Werke» в Мюнхені (Е. W. М.) по концентрування перекису водню з отриманням водних розчинів високої міцності, які можна було б транспортувати і зберігати з прийнятною низькою швидкістю розкладання. Спочатку для військових потреб випускали 60% -ний водний розчин, але згодом цю концентрацію підвищили і нарешті почали отримувати 85% -ву перекис. Збільшення доступності висококонцентрованою перекису водню в кінці тридцятих років нинішнього століття призвело до застосування її в Німеччині під час Другої світової війни в якості джерела енергії для інших військових потреб. Так, перекис водню вперше була використана в 1937 р в Німеччині як допоміжний засіб в паливі для двигунів літаків і ракет.

Висококонцентровані розчини, які містять до 90% перекису водню, проводилися також в промисловому масштабі до кінця другої світової війни фірмами «Buffalo Electro-Chemical Со» в США і «В. Laporte, Ltd. » у Великобританії. Втілення ідеї процесу генерування тягової потужності з перекису водню в більш ранній період представлено в схемі Лішолма, який запропонував методику генерування енергії шляхом термічного розкладання перекису водню з наступним спалюванням пального в отриманому кисні. Однак на практиці ця схема, по-видимому, не знайшла застосування.

Концентровану перекис водню можна використовувати і в якості однокомпонентного палива (в цьому випадку вона піддається розкладанню під тиском і утворює газоподібну суміш кисню і перегрітої пари) і як окислювач для спалювання пального. Механічно однокомпо- нертная система простіше, але вона дає менше енергії на одиницю ваги палива. У двухкомпойентной системі можна спочатку розкласти перекис водню, а потім спалити пальне в гарячих продуктах розкладання або ж ввести в реакцію обидві рідини безпосередньо без попереднього розкладання перекису водню. Другий метод простіше механічно оформити, але при ньому може виявитися скрутним забезпечення займання, а також рівномірне і повне згоряння. У будь-якому випадку енергія або тяга створюється за рахунок розширення гарячих газів. Різні види ракетних двигунів, заснованих на дії перекису водню і використаних в Німеччині під час Другої світової війни, досить докладно описані Вальтером, який був безпосередньо пов'язаний з розробкою багатьох видів військового застосування перекису водню в Німеччині. Опублікований їм матеріал ілюструється також рядом креслень і фотознімків.

Перший зразок нашого рідинного ракетного двигуна (РРД), що працює на гасі і висококонцентрованою перекису водню, зібраний і готовий до випробувань на стенді в МАІ.

Все почалося близько року тому з створення 3D-моделей і випуску конструкторської документації.

Готові креслення ми відправили декільком підрядникам, в тому числі нашого основного партнеру по металообробці «АртМеху». Всі роботи по камері дублювалися, а виготовлення форсунок взагалі було отримано декільком постачальникам. На жаль, тут ми зіткнулися з усією складністю виготовлення здавалося б простих металевих виробів.

Особливо багато зусиль довелося витратити на відцентрові форсунки для розпилення пального в камері. На 3D-моделі в розрізі їх видно як циліндри з гайками синього кольору на кінці. А ось так вони виглядають в металі (одна з форсунок показана з открученной гайкою, олівець дан для масштабу).

Про випробування форсунок ми вже писали. В результаті з багатьох десятків форсунок були обрані сім. Через них в камеру буде надходити гас. Самі гасові форсунки вбудовані в верхню частину камери, яка є газифікатором окислювача - областю, де пероксид водню буде проходити через твердий каталізатор і розкладатися на водяну пару і кисень. Потім вийшла газова суміш теж надійде в камеру ЖРД.

Щоб зрозуміти, чому виготовлення форсунок викликало такі складності, треба зазирнути всередину - всередині каналу форсунки знаходиться шнековий завихритель. Тобто надходить у форсунку гас не просто рівно тече вниз, а закручується. Шнековий завихритель має багато дрібних деталей, і від того, наскільки точно вдається витримати їх розміри, залежить ширина зазорів, через які буде текти і розпорошуватися в камеру гас. Діапазон можливих результатів - від «через форсунку рідина взагалі не тече» до «розпорошується рівномірно на всі боки». Ідеальний результат - гас розпорошується тонким конусом вниз. Приблизно так, як на фото нижче.

Тому отримання ідеальної форсунки залежить не тільки від майстерності та сумлінності виробника, але і від використовуваного обладнання та, нарешті, дрібної моторики фахівця. Кілька серій випробувань готових форсунок під різним тиском дозволили нам вибрати ті, конус розпилу яких близький до ідеального. На фото - завихритель, який не пройшов відбір.

Подивимося, як наш двигун виглядає в металі. Ось кришка ЖРД з магістралями для надходження перекису і гасу.

Якщо підняти кришку, то можна побачити, що через довгу трубку прокачується перекис, а через коротку - гас. Причому гас розподіляється по семи отворів.

Знизу до кришки приєднаний газифікатор. Подивимося на нього з боку камери.

Те, що нам з цієї точки представляється дном деталі, насправді є її верхньою частиною і буде приєднано до кришки ЖРД. З семи отворів гас по форсунках поллється в камеру, а з восьмого (зліва, єдине несиметрично розташовану) на каталізатор хлине перекис. Точніше вона рине не безпосередньо, а через спеціальну пластину з мікроотворами, рівномірно розподіляють потік.

На наступному фото ця пластина і форсунки для гасу вже вставлені в газифікатор.

Майже весь вільний обсяг газифікатора буде зайнятий твердим каталізатором, через який потече пероксид водню. Гас буде йти по форсунках, не змішуючись з перекисом.

На наступному фото ми бачимо, що газифікатор вже закрили кришкою з боку камери згоряння.

Через сім отворів, що закінчуються спеціальними гайками, потече гас, а через дрібні отвори піде гарячий парогаза, тобто вже розкладена на кисень і водяна пара перекис.

Тепер давайте розберемося з тим, куди вони потечуть. А потечуть вони в камеру згоряння, яка являє собою порожнистий циліндр, де гас запалюється в кисні, розігрітому в каталізаторі, і продовжує горіти.

Розігріті гази надійдуть в сопло, в якому розганятися до високих швидкостей. Ось сопло з різних ракурсів. Велика (звужується) частину сопла називається докритичній, потім йде критичне розтин, а потім розширюється частина - закрітічеськая.

У підсумку зібраний двигун виглядає так.

Красень, правда?

Ми виготовимо ще як мінімум один екземпляр ЖРД з нержавіючої сталі, а потім перейдемо до виготовлення ЖРД з інконель.

Уважний читач запитає, а для чого потрібні штуцери з боків двигуна? У нашого ЖРД є завіса - рідина впорскується уздовж стінок камери, щоб та не перегрівалася. У польоті в завісу буде текти перекис або гас (уточнимо за результатами випробувань) з баків ракети. Під час вогневих випробувань на стенді в завісу може як гас, так і перекис, а також вода або взагалі нічого не подаватися (для коротких тестів). Саме для завіси і зроблені ці штуцера. Більш того, завіси дві: одна для охолодження камери, інша - докритичній частини сопла і критичного перетину.

Якщо ви інженер або просто хочете дізнатися докладніше характеристики і пристрій ЖРД, то далі спеціально для вас приведена інженерна записка.

ЖРД-100С

Двигун призначений для стендової відпрацювання основних конструктивних і технологічних рішень. Стендові випробування двигуна заплановані на 2016 рік.

Двигун працює на стабільних висококиплячих компонентах палива. Розрахункова тяга на рівні моря - 100 кгс, в вакуумі - 120 кгс, розрахунковий питомий імпульс тяги на рівні моря - 1840 м / с, в вакуумі - 2200 м / с, розрахунковий питома вага - 0,040 кг / кгс. Дійсні характеристики двигуна будуть уточнюватися в ході випробувань.

Двигун однокамерний, складається з камери, комплекту агрегатів системи автоматики, вузлів і деталей загальної збірки.

Двигун кріпиться безпосередньо до несучих елементів стенду через фланець у верхній частині камери.

Основні параметри камери
паливо:
- окислювач - ПВ-85
- пальне - ТС-1
тяга, кгс:
- на рівні моря - 100,0
- в порожнечі - 120,0
питомий імпульс тяги, м / с:
- на рівні моря - 1840
- в порожнечі - 2200
секундний витрата, кг / с:
- окислювача - 0,476
- пального - 0,057
вагове співвідношення компонентів палива (Про: Г) - 8,43: 1
коефіцієнт надлишку окислювача - 1,00
тиск газів, бар:
- в камері згоряння - 16
- у вихідному перерізі сопла - 0,7
маса камери, кг - 4,0
внутрішній діаметр двигуна, мм:
- циліндричної частини - 80,0
- в районі зрізу сопла - 44,3

Камера являє собою збірну конструкцію і складається з форсуночного головки з інтегрованим в неї газифікатором окислювача, циліндричної камери згоряння і профільованого сопла. Елементи камери мають фланці і з'єднуються між собою болтами.

На голівці розміщені 88 однокомпонентних струменевих форсунок окислювача і 7 однокомпонентних відцентрових форсунок пального. Форсунки розташовані по концентричних колах. Кожна форсунка пального оточена десятьма форсунками окислювача, що залишилися форсунки окислювача розміщені на вільному просторі головки.

Охолодження камери внутрішнє, двоступенева, здійснюється рідиною (пальним або окислювачем, вибір буде зроблений за результатами стендових випробувань), що надходить в порожнину камери через два пояси завіси - верхній і нижній. Верхній пояс завіси виконаний на початку циліндричної частини камери і забезпечує охолодження циліндричної частини камери, нижній - виконаний на початку докритичній частини сопла і забезпечує охолодження докритичній частини сопла і області критичного перетину.

У двигуні застосовується самозаймання компонентів палива. У процесі запуску двигуна забезпечується випередження надходження окислювача в камеру згоряння. При розкладанні окислювача в газифікаторі його температура піднімається до 900 K, що істотно вище температури самозаймання пального ТС-1 в атмосфері повітря (500 К). Пальне, що подається в камеру в атмосферу гарячого окислювача, самозаймається, надалі процес горіння переходить в самоподдерживающийся.

Газификатор окислювача працює за принципом каталітичного розкладання висококонцентрованого пероксиду водню в присутності твердого каталізатора. Утворений в результаті розкладання пероксиду водню парогаза (суміш водяної пари і газоподібного кисню) є окислювачем і надходить в камеру згоряння.

Основні параметри газогенератора
компоненти:
- стабілізований пероксид водню (концентрація за вагою),% - 85 ± 0,5
витрата пероксиду водню, кг / с - 0,476
питоме навантаження, (кг / с пероксиду водню) / (кг каталізатора) - 3,0
час безперервної роботи, не менше, с - 150
параметри парогаза на виході з газифікатора:
- тиск, бар - 16
- температура, К - 900

Газификатор інтегрований в конструкцію форсуночного головки. Її стакан, внутрішнє і середнє днища утворюють порожнину газифікатора. Днища пов'язані між собою форсунками пального. Відстань між днищами регулюється висотою склянки. Обсяг між форсунками пального заповнений твердим каталізатором.

Короткий зміст. У міру зменшення розмірів розробляються супутників все важче стає підбирати для них рухові установки (ДУ), що забезпечують необхідні параметри керованості і маневреності. На самих маленьких супутниках зараз традиційно використовують стиснений газ. Для підвищення ефективності, і при цьому зниження вартості в порівнянні з гідразіновимі ДУ пропонується використовувати перекис водню. Мінімальна токсичність і невеликі необхідні розміри установки дозволяють проводити багаторазові випробування в зручних лабораторних умовах. Описано досягнення в напрямку створення недорогих двигунів і баків для палива з самонаддувом.

Вступ

В останні роки відродився інтерес до використання концентрованої перекису водню в якості ракетного палива для двигунів самих різних масштабів. Перекис найбільш приваблива при використанні в нових розробках, де попередні технології не можуть конкурувати безпосередньо. Такими розробками якраз є супутники масою в 5-50 кг. Як однокомпонентне паливо, перекис володіє високою щільністю (\u003e 1300 кг / куб. М) і питомим імпульсом (УІ) в вакуумі близько 150 з [приблизно 1500 м / с]. Хоча це значно менше, ніж УІ гідразину, приблизно 230 з [близько 2300 м / с], спирт або вуглеводень в поєднанні з перекисом здатні підняти УІ до діапазону 250-300 з [приблизно від 2500 до 3000 м / с].

Ціна є тут важливим фактором, оскільки застосовувати перекис має сенс тільки якщо це дешевше, ніж побудувати зменшену версію класичної технології дистанційного керування. Здешевлення досить імовірно, якщо врахувати, що робота з отруйними компонентами здорожує розробку, перевірку і запуск системи. Наприклад, для випробування ракетних двигунів на отруйних компонентах існує всього кілька стендів, і їх число поступово зменшується. На відміну від цього, розробники мікросупутників можуть самі розробити свою власну перекисную технологію. Аргумент про безпеку палива особливо важливий при роботі з маловивченими варіантами систем. Робити такі системи набагато простіше, якщо є можливість проводити часті недорогі випробування. При цьому аварії і розливи компонентів ракетного палива повинні розглядатися як належне, точно так же, як, наприклад, аварійний останов комп'ютерної програми при її налагодженні. Тому при роботі з отруйними паливами стандартними є методи роботи, які віддають перевагу еволюційні, поступові зміни. Цілком можливо, що застосування менш токсичних палив в мікросупутників дозволить виграти від серйозних змін в конструкції.

Робота, описана нижче, є частиною більшої дослідницької програми, спрямованої на вивчення нових космічних технологій для невеликих масштабів застосування. Випробування проходять закінчені прототипи мікросупутників (1). Подібні теми, що заслуговують інтересу, включають невеликі ЖРД з насосною подачею палива для польотів на Марс, Місяць і назад при невеликих фінансових витратах. Такі можливості можуть бути дуже корисні для відправки невеликих дослідницьких апаратів на отлётние траєкторії. Метою даної статті є створення технології ДУ, яка використовує перекис водню і не вимагає дорогих матеріалів або методів розробки. Критерій ефективності в даному випадку - істотну перевагу над можливостями, наданими ДУ на стислому азоті. Акуратний аналіз потреб мікросупутників допомагає уникнути непотрібних вимог до системи, які підвищують її ціну.

Вимоги до рухової технології

якщо для електронних систем зазвичай характеристики вважаються заданими, то для ДУ це зовсім не так. Це стосується можливості зберігання на орбіті, різких включень і виключень, здатності витримувати довільно довгі періоди бездіяльності. З точки зору інженера-двигателистов визначення завдання включає розклад, що показує, коли і наскільки довго кожен двигун повинен працювати. Ця інформація може бути мінімальною, але вона в будь-якому випадку знижує інженерні складності і вартість. Наприклад, ДУ може бути випробувана за допомогою відносно недорогого обладнання, якщо для польоту не має значення дотримання часу роботи ДУ з точністю до мілісекунд.

Іншими умовами, зазвичай здорожує систему, можуть бути, наприклад необхідність точного передбачення тяги і питомої імпульсу. Традиційно, така інформація дозволяла застосовувати точно розраховані корекції швидкості з наперед заданим часом роботи ДУ. З огляду на сучасний рівень датчиків і обчислювальні можливості, доступні на борту супутника, має сенс проводити інтегрування прискорення до тих пір, поки не буде досягнуто заданий зміна швидкості. Спрощені вимоги дозволяють здешевити індивідуальні розробки. Вдається уникнути точної підгонки тисків і потоків, а також дорогих випробувань у вакуумній камері. Теплові умови вакууму, однак, все ж доводиться враховувати.

Найпростіший руховий маневр - включити двигун всього один раз, на ранній стадії роботи супутника. У цьому випадку початкові умови і час розігріву ДУ впливають найменше. Обнаружіми витоку палива до і після маневру не позначаться на результаті. Такий простий сценарій може бути важким з іншої причини, наприклад, через велику необхідного збільшення швидкості. Якщо необхідне прискорення є високим, то розміри двигуна і його маса стають ще більш важливими.

Найбільш складними завданнями роботи ДУ є десятки тисяч або більше коротких імпульсів, розділених годинами або хвилинами бездіяльності, протягом багатьох років. Перехідні процеси на початку і кінці імпульсу, теплові втрати в апараті, витоку палива - все це повинно бути мінімізовано або усунуто. Даний вид тяги є типовим для завдання 3-осной стабілізації.

Завданням проміжної складності можна вважати періодичні включення ДУ. Прикладами є зміни орбіт, компенсація атмосферних втрат, або періодичні зміни орієнтації супутника, стабілізованого обертанням. Такий режим роботи також зустрічається у супутників, які мають інерційні маховики або які стабілізовані гравітаційним полем. Такі польоти зазвичай включають короткі періоди високої активності ДУ. Це важливо, тому що гарячі компоненти палива будуть втрачати менше енергії під час таких періодів активності. При цьому можна використовувати більш прості пристрої, Ніж для тривалого підтримання орієнтації, тому такі польоти є хорошими кандидатами на використання недорогих рідинних ДУ.

Вимоги, що пред'являються до розробляється двигуну

Вимоги щодо терміну служби також обмежують допустимі масу і розміри рухової установки. Наприклад, в разі однокомпонентного палива додавання каталізатора може збільшити термін служби. Двигун системи орієнтації може працювати в сумі кілька годин за час всього терміну служби. Однак баки супутника можуть спорожніти за хвилини, якщо потрібно досить велика зміна орбіти. Для запобігання витоку і забезпечення щільного закриття вентиля навіть після багатьох пусків в лініях ставлять поспіль кілька вентилів. Додаткові вентилі можуть бути невиправдані для малих супутників.

Мал. 1 показує, що рідинні двигуни не завжди можна зменшити пропорційно, для використання для малих систем тяги. великі двигуни зазвичай піднімають в 10 - 30 разів більше своєї ваги, і це число збільшується до 100 для двигунів ракет-носіїв з насосною подачею палива. Однак найменші рідинні двигуни не можуть навіть підняти свою вагу.

Двигуни для супутників важко зробити маленькими.

Навіть якщо невеликий існуючий двигун досить легкий, щоб служити як основний двигун маневрування для мікросупутника, вибрати набір з 6-12 рідинних двигунів для 10-кілограмового апарату практично неможливо. Тому мікросупутники використовують для орієнтації стиснений газ. Як показано на рис. 1, існують газові двигуни з співвідношенням тяги до маси такої ж, як у великих ракетних двигунів. газові двигуни являють собою просто соленоїдний вентиль з соплом.

До того ж до вирішення проблеми маси рухової установки, системи на стиснутому газі дозволяють отримувати більш короткі імпульси, ніж рідинні двигуни. Це властивість важливо для безперервного підтримки орієнтації протягом довгих польотів, як показано в Додатку. У міру зменшення розмірів космічних апаратів все більш короткі імпульси можуть бути цілком достатні для підтримки орієнтації із заданою точністю для даного терміну служби.

Хоча системи на стиснутому газі виглядають в цілому найкращим чином для застосування на невеликих космічних апаратах, ємності для зберігання газу займають досить великий обсяг і важать досить багато. Сучасні композитні баки для зберігання азоту, розроблені для невеликих супутників, важать приблизно стільки ж, скільки сам азот, укладений в них. Для порівняння, баки для рідких палив в космічних кораблях можуть зберігати паливо масою до 30 мас баків. З огляду на вагу як баків, так і двигунів, було б дуже корисним зберігати паливо в рідкій формі, і перетворювати його в газ для розподілу між різними двигунами системи орієнтації. Такі системи були розроблені для використання гідразину в коротких суборбітальних експериментальних польотах.

Перекис водню як ракетне паливо

Концентрування і очищення

Для використання в даному проекті 35% перекис купується в поліетиленових контейнерах об'ємом в 1 галон. Спочатку вона концентрується до 85%, потім очищається на установці, показаній на рис. 2. Цей варіант раніше використаного методу спрощує схему установки і зменшує необхідність очищення скляних частин. Процес автоматизований, так що для отримання 2 літрів перекису в тиждень потрібно тільки щоденне наповнення і спорожнення судин. Звичайно, ціна за літр виходить високою, але повна сума все ще виправдана для невеликих проектів.

Спочатку в двох літрових склянках на електроплитках в витяжній шафі випарюють більшу частину води протягом контрольованого таймером періоду в 18 годин. Обсяг рідини в кожній склянці зменшується вчетверо, до 250 мл, або приблизно 30% початкової маси. При випаровуванні втрачається чверть вихідних молекул перекису. Швидкість втрат зростає з концентрацією, так що для даного методу практичним межею концентрації є 85%.

Установка зліва - це комерційно доступний роторний вакуумний випарник. 85% розчин, який має приблизно 80 ppm сторонніх домішок, нагрівається кількостями по 750 мл на водяній бані при 50C. В установці підтримується вакуум не вище 10 мм рт. ст., що забезпечує швидку перегонку протягом 3-4 годин. Конденсат стікає в ємність зліва внизу з втратами менше 5%.

Ванна з водоструминним насосом видно за випарником. У ній встановлено два електронасоса, один з яких подає воду на водоструминний насос, а другий циркулює воду через морозильник, водяний холодильник роторного випарника і саму ванну, підтримуючи температуру води тільки трохи вище нуля, що покращує як конденсацію парів в холодильнику, так і вакуум в системі. Пари перекису, які не сконденсувати на холодильнику, потрапляють в ванну і розлучаються до безпечної концентрації.

Чистий перекис водню (100%) значно щільніше води (в 1,45 рази при 20C), так що плаваючий скляний ареометр (в діапазоні 1,2-1,4) зазвичай визначає концентрацію з точністю до 1%. Як куплена початково перекис, так і дистильований розчин були проаналізовані на вміст домішок, як показано в табл. 1. Аналіз включав плазменно-емісійну спектроскопію, іонну хроматографію і вимір повного змісту органічного вуглецю (total organic carbon - TOC). Зауважимо, що фосфат і олово є стабілізаторами, вони додані у вигляді солей калію і натрію.

Таблиця 1. Аналіз розчину перекису водню

Заходи безпеки при поводженні з перекисом водню

Дія на очі і легені більш небезпечно. На щастя, тиск парів перекису досить низьке (2 мм рт. Ст. При 20C). Витяжна вентиляція легко підтримує концентрацію нижче межі для дихання в 1 ppm, встановленого OSHA. Перекис можна переливати між відкритими контейнерами над піддонами на випадок розливу. Для порівняння, N2O4 і N2H4 повинні постійно перебувати в запечатаних судинах, при роботі з ними часто використовується спеціальний дихальний апарат. Це відбувається через їх значно більше високого тиску парів і граничної концентрації в повітрі в 0,1 ppm для N2H4.

Змивання розлитої перекису водою робить її безпечною. Що стосується вимог до захисного одягу, то незручні костюми можуть збільшити ймовірність протоки. При роботі з невеликими кількостями, можливо, важливіше дотримуватися питань зручності. Наприклад, робота вологими руками виявляється розумною альтернативою роботі в рукавичках, які можуть навіть пропускати бризки, якщо вони протікають.

Хоча рідка перекис не розкладається в масі при дії джерела вогню, пари концентрованої перекису можуть здетонувати при незначному впливі. Ця потенційна небезпека ставить межу обсягами виробництва установки, описаної вище. Розрахунки і вимірювання показують дуже високу ступінь безпеки тільки для даних невеликих обсягів виробництва. На рис. 2 повітря втягується в горизонтальні вентиляційні щілини, що знаходяться за апаратом, при 100 cfm (кубічних футів в хвилину, приблизно 0,3 куб. М в хвилину) уздовж 6 футів (180 см) лабораторного столу. Концентрація парів нижче 10 ppm була виміряна безпосередньо над концентрує склянками.

Утилізація невеликих кількостей перекису після розведення їх водою не призводить до наслідків для навколишнього середовища, хоча це і суперечить найбільш суворої трактуванні правил утилізації небезпечних відходів. Перекис - окислювач, і, отже, потенційно вогненебезпечна. При цьому, однак, необхідна наявність горючих матеріалів, і занепокоєння не є виправданим при роботі з невеликими кількостями матеріалів через розсіювання тепла. Наприклад, мокрі плями на тканинах або пухкому папері зупинять небошое полум'я, оскільки перекис володіє високою питомою теплоємністю. Контейнери для зберігання перекису повинні мати вентилюючі отвори або запобіжні клапани, оскільки поступове розкладання перекису на кисень і воду підвищує тиск.

Сумісність матеріалів і розпад при зберіганні

Історичні роботи включають експерименти на сумісність із зразками матеріалів, що проводяться в скляних судинах з концентрованою перекисом. В підтримку традиції, із зразків для тестування були зроблені невеликі запечатані судини. Спостереження за зміною тиску і масою судин показують швидкість розкладання і витоку перекису. На додаток до цього можливе збільшення обсягу або ослаблення матеріалу стає помітним, так як стінки судини зазнають утисків.

Фторополімери, такі як політетрафторетилен (PTFE - polytetrafluroethylene), поліхлоротріфторетілен (PCTFE - polychlorotrifluroethylene) і фторид полівінілідена (PVDF - polyvinylidene fluoride) не розкладаються під дією перекису. Вони також призводять до уповільнення розкладання перекису, так що ці матеріали можна використовувати для покриття баків, або проміжних ємностей, якщо в них потрібно зберігати паливо протягом декількох місяців або років. Аналогічним чином ущільнювачі з фтороеластомера (зі стандартного "Витона") і фтор мастила цілком підходять для тривалого контакту з перекисом. Полікарбонатний пластик на диво не піддається впливу концентрованої перекису. Цей матеріал, що не утворює осколків, використовується всюди, де необхідна прозорість. Ці випадки включають створення прототипів зі складною внутрішньою структурою і баків, в яких необхідно бачити рівень рідини (див. Рис. 4).

Розкладання при контакті з матеріалом Al-6061-T6 всього в кілька разів швидше, ніж з найбільш сумісними алюмінієвими сплавами. Цей сплав міцний і легкодоступний, в той час як найбільш сумісні сплави володіють недостатньою міцністю. Відкриті чисто алюмінієві поверхні (тобто Al-6061-T6) зберігаються протягом багатьох місяців при контакті з перекисом. Це при тому, що вода, наприклад, окисляє алюміній.

Всупереч історично сформованим рекомендацій, складні операції з очищення, використовують шкідливі для здоров'я чистячі засоби, не є необхідними для більшості застосувань. Більшість частин апаратів, які використовуються в даній роботі з концентрованою перекисом, просто змивалися водою з пральним порошком при температурі 110F. Попередні результати показують, що подібний підхід дайте майже такі ж гарні результати, Як і рекомендовані процедури з очищення. Зокрема, промивка судини з PVDF протягом доби 35% -ної азотної кислотою зменшує швидкість розкладання всього на 20% протягом 6-місячного періоду.

Легко обчислити, що розкладання одного відсотка перекису, що міститься в закритій посудині з 10% вільного об'єму, піднімає тиск до майже 600psi (фунтів на квадратний дюйм, тобто приблизно 40 атмосфер). Це число показує, що зменшення ефективності перекису при зниженні її концентрації значно менш важливо, ніж міркування безпеки при зберіганні.

Планування космічних польотів з використанням концентрованої перекису вимагає всебічного розгляду можливої \u200b\u200bнеобхідності скидання тиску шляхом вентиляції баків. Якщо робота рухової системи починається протягом днів або тижнів з моменту старту, необхідний порожній обсяг баків може відразу вирости в кілька разів. Для таких супутників має сенс робити суцільнометалеві баки. Період зберігання, зрозуміло, включає в себе час, що відводиться на передпольотної операції.

На жаль, формальні правила роботи з паливом, які були розроблені з урахуванням застосування високотоксичних компонентів, зазвичай забороняють системи автоматичної вентиляції на польотний обладнанні. Зазвичай використовуються дорогі системи стеження за тиском. Ідея підвищення безпеки забороною вентиляційних клапанів суперечить нормальній "земної" практиці при роботі з рідинними системами, що знаходяться під тиском. Це питання може бути доведеться переглянути в залежності від того, яка ракета-носій використовується при старті.

При необхідності розкладання перекису може підтримуватися на рівні 1% в рік або нижче. На додаток до сумісності з матеріалами баків, коефіцієнт розкладання сильно залежить від температури. Може виявитися можливим зберігати перекис необмежено довго в космічних польотах, якщо вдасться її заморожувати. Перекис не має права продовжувати при замерзанні і не створює загрози для клапанів і труб, як це відбувається з водою.

Оскільки перекис розкладається на поверхнях, збільшення відносини обсягу до поверхні може підвищити термін зберігання. Порівняльний аналіз із зразками в 5 куб. см і 300 куб. см підтверджують цей висновок. Один експеримент з 85% перекисом в ємності в 300 куб. см., зробленої з PVDF, показав коефіцієнт розкладання при 70F (21C) в 0,05% в тиждень, або 2,5% в рік. Екстраполяція до 10-літрових баків дає результат приблизно в 1% в рік при 20C.

В інших порівняльних експериментах з використанням PVDF або покриті PVDF на алюмінії, перекис, що має 80 ppm стабілізуючих добавок, розкладалася всього на 30% повільніше, ніж очищена перекис. Це насправді добре, що стабілізатори не сильно підвищують термін зберігання перекису в баках при довгих польотах. Як показано в наступному розділі, ці добавки досить сильно заважають використанню перекису в двигунах.

Розробка двигунів

Каталізатор на основі срібла

Склад поверхні і механізм роботи каталізатора повністю неясні, як випливає з безлічі необ'ясняемих і суперечливих тверджень в літературі. Каталітична активність поверхні чистого срібла може бути посилена нанесенням нітрату самарію з подальшим прожарюванням. Ця речовина розкладається на оксид самарію, але може також окисляти срібло. Інші джерела на додаток до цього посилаються на обробку чистого срібла азотною кислотою, яка розчиняє срібло, але також і є окислювачем. Ще більш простий спосіб заснований на тому, що чисто срібний каталізатор може підвищувати свою активність при використанні. Це спостереження було перевірено і підтверджено, що призвело до використання каталізатора без нітрату самарію.

Оксид срібла (Ag2O) має коричнево-чорний колір, а перекис срібла (Ag2O2) має сіро-чорний колір. Ці кольори з'являлися один за іншим, показуючи, що срібло поступово окислюється все більше. Самий темний колір відповідав найкращому дії каталізатора. Крім того, поверхня виявлялася все більш нерівній в порівнянні зі "свіжим" сріблом при аналізі під мікроскопом.

Був знайдений простий метод перевірки активності каталізатора. Окремі гуртки срібною сітки (діаметр 9/16 дюйма [приблизно 14 мм] накладалися на краплі перекису на сталевий поверхні. Тільки що куплена срібна сітка викликала повільне "шипіння". Найбільш активний каталізатор багаторазово (10 разів) викликав потік пари протягом 1 секунди.

Це дослідження не доводить, що окислене срібло є каталізатором, або що спостережуване потемніння викликане головним чином окисленням. Достойно також згадки те, що обидва оксиду срібла, як відомо, розкладаються при відносно невисоких температурах. Надлишок кисню під час роботи двигуна, однак, може змістити рівновагу реакції. Спроби експериментально з'ясувати важливість окислення і нерівностей поверхні однозначного результату не дали. Спроби включали аналіз поверхні за допомогою рентгенівського фотоелектронного спектроскопа (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS), також відомого як електронний спектроскопічний хімічний аналізатор (Electron Spectroscopy Chemical Analysis, ESCA). Були також зроблені спроби виключити ймовірність забруднення поверхні у свіжокуплені срібних сіток, що погіршувало каталітичну активність.

Незалежні перевірки показали, що ні нітрат самарію, ні його твердий продукт розкладання (що є, ймовірно, оксидом) НЕ каталізують розкладання перекису. Це може означати, що обробка нітратом самарію може працювати за допомогою окислення срібла. Однак, також є версія (без наукового обґрунтування), що обробка нітратом самарію запобігає прилипання бульбашок газоподібних продуктів розкладання до поверхні каталізатора. У даній роботі в кінцевому підсумку розробка легких двигунів була визнана більш важливою, ніж рішення головоломок каталізу.

схема двигуна

Замість цього в даній роботі були отримані непогані результати при використанні камер двигуна, зроблених з бронзи (мідний сплав C36000) на токарному верстаті. Бронза легко обробляється, і до того ж її коефіцієнт теплового розширення близький до коефіцієнта срібла. При температурі розкладання 85% перекису, близько 1200F [приблизно 650C], бронза має відмінну міцність. Ця відносно невисока температура дозволяє також використовувати алюмінієвий інжектор.

Такий вибір легко оброблюваних матеріалів і концентрації перекису, легко досяжною в лабораторних умовах представляється досить вдалим поєднанням для проведення експериментів. Зауважимо, що використання 100% перекису призвело б до розплавлення як каталізатора, так і стінок камери. Наведений вибір вдає із себе компроміс між ціною і ефективністю. Варто відзначити, що бронзові камери використовуються на двигунах РД-107 і РД-108, що застосовуються на такому успішному носії як Союз.

На рис. 3 показаний легкий варіант двигуна, який прівінчівается безпосередньо до основи рідинного клапана невеликого маневрує апарату. Зліва - 4-грамовий алюмінієвий інжектор з фтореластомерним ущільнювачем. 25-грамовий срібний каталізатор розділений, щоб можна було його показати з різних сторін. Праворуч - 2-грамова пластина, що підтримує катализаторную сітку. Повна маса частин, показаних на малюнку - приблизно 80 грам. Один з таких двигунів був використаний для наземних випробувань управління 25-кілограмовим дослідницьким апаратом. Система працювала відповідно до дизайну, включаючи використання 3,5 кілограмів перекису без видимої втрати якості.

150-грамовий комерційно доступний соленоїдний вентиль прямої дії, який має отвір в 1,2 мм і 25-омную котушку, керовану джерелом в 12 вольт, показав задовільні результати. Поверхні вентиля, що вступають в контакт з рідиною, складаються з нержавіючої сталі, алюмінію і Витона. Повна маса вигідно відрізняється від маси понад 600 грам для 3-фунтового [приблизно 13Н] двигуна, використаного для підтримки орієнтації ступені Центавр до 1984 року.

тестування двигуна

Мал. 4 показує установку, готову для проведення експерименту. Безпосередні експерименти в лабораторних умовах виявляються можливими через використання досить нешкідливого палива, низьких значень тяги, роботи при нормальних кімнатних умовах і атмосферному тиску, і застосування простих приладів. Захисні стінки установки зроблені з полікарбонатних листів товщиною в півдюйма [приблизно 12 мм], які встановлені на алюмінієвій рамі, в умовах хорошої вентиляції. Панелі були випробувані на розламується зусилля в 365.000 Н * с / м ^ 2. Наприклад, осколок в 100 грам, рухаючись з надзвуковою швидкістю в 365 м / с, зупиниться, якщо площа удару 1 кв. см.

На фотографії камера двигуна орієнтована вертикально, трохи нижче витяжної труби. Датчики тиску на вході в інжектор і тиску всередині камери знаходяться на платформі ваг, які вимірюють тягу. Цифрові індикатори часу роботи і температури знаходяться зовні стінок установки. Відкриття головного клапана включає невеликий масив індикаторів. Запис даних ведеться шляхом установки всіх індикаторів в полі видимості відеокамери. Остаточні вимірювання були проведені за допомогою термочутливого крейди, яким провели лінію уздовж довжини камери каталізу. Зміна кольору відповідало температурі понад 800 F [приблизно 430C].

Ємність з концентрованою перекисом знаходиться зліва від ваг на окремій опорі, так що зміна маси палива не впливає на вимірювання тяги. За допомогою еталонних гир було перевірено, що трубки, що підводять перекис до камери, досить гнучкі для досягнення точності вимірювання в межах 0,01 фунта сили [приблизно 0,04Н]. Ємність для перекису була виготовлена \u200b\u200bз великою полікарбонатною труби і калібрувати так, що зміна рівня рідини може використовуватися для обчислення УІ.

параметри двигуна

Початковий короткочасний пуск проводився для уникнення "вологого" старту, при якому з'являвся видимий вихлоп. Зазвичай початковий пуск проводився протягом 5 с при витраті<50%, но вполне хватало бы и 2 с. Затем шёл основной прогон в течение 5-10 с, достаточных для полного прогрева двигателя. Результаты показывали температуру газа в 1150F , что находится в пределах 50F от теоретического значения. 10-секундные прогоны при постоянных условиях использовались для вычисления УИ. Удельный импульс оказывался равным 100 с , что, вероятно, может быть улучшено при использовании более оптимальной формы сопла, и, особенно, при работе в вакууме.

Довжина срібного каталізатора була успішно зменшена з консервативних 2,5 дюймів [приблизно 64 мм] до 1,7 дюймів [приблизно 43 мм]. Остаточна схема двигуна мала 9 отворів діаметром 1/64 дюйма [приблизно 0,4 мм] в плоскій поверхні інжектора. Критичне перетин розміром 1/8 дюйма дозволило отримати тягу в 3,3 фунта сили при тиску в камері 220 psig і різницею тисків 255 psig між вентилем і критичним перетином.

Дистильоване паливо (табл. 1) давало стабільні результати і стійкі виміри тиску. Після прогону 3 кг палива і 10 стартів, точка з температурою в 800F перебувала на камері на відстані в 1/4 дюйма від поверхні інжектора. При цьому, для порівняння, час працездатності двигуна при 80 ppm домішок була неприйнятною. Коливання тиску в камері на частоті 2 Гц досягли значення 10% після витрачання всього 0,5 кг палива. Точка температури 800F відійшла на відстань понад 1 дюйма від інжектора.

Кілька хвилин в 10% азотній кислоті відновили каталізатор до хорошого стану. Незважаючи на те, що при цьому, разом із забрудненнями, було розчинено деяку кількість срібла, активність каталізатора була краще, ніж після обробки азотною кислотою нового, ще не використовувався каталізатора.

Слід зазначити, що, хоча час розігріву двигуна обчислюється секундами, значно коротші импулься можливі, якщо двигун уже розігрітий. Динамічний відгук рідинної підсистеми тяги масою в 5 кг на лінійній ділянці показав час імпульсу коротше, ніж в 100 мс, з переданим імпульсом близько 1 Н * с. Зокрема, зсув був приблизно +/- 6 мм при частоті в 3 Гц, з обмеженням, що задається системі швидкістю управління.

Варіанти побудови ДУ

традиційні схеми

Варіант B є найбільш простий рідинної схемою, і був багато разів випробуваний в польотах з гідразином в якості палива. Газ, що підтримує тиск в баку, зазвичай займає чверть бака під час старту. Газ поступово розширюється під час польоту, так що говорять, що тиск "видувається". Однак падіння тиску знижує як тягу, так і УІ. Максимальний тиск рідини в баку має місце під час запуску, що збільшує масу баків з міркувань безпеки. Недавній приклад - апарат Лунар Проспектор, який мав приблизно 130 кг гідразину і 25 кг маси ДУ.

Варіант C широко використовується з традиційними отруйними однокомпонентними і двокомпонентними паливами. Для самих маленьких супутників потрібно додавати ДУ на стиснутому газі для підтримки орієнтації, як описувалося вище. Наприклад, додавання ДУ на стиснутому газі до варіанту C призводить до варіанту D. Рухові системи даного типу, що працюють на азоті і концентрованої перекису, були побудовані в Лоуренсовской Лабораторії (LLNL), щоб можна було безпечно відчувати системи орієнтації прототипів мікросупутників, що працюють на неотруйних паливах .

Підтримка орієнтації за допомогою гарячих газів

Для подальшого зменшення маси апаратури і спрощення системи зберігання бажано взагалі уникнути ємностей зберігання газу. Варіант F потенційно є цікавим для мініатурних систем на перекису. Якщо до початку роботи потрібно тривале зберігання палива на орбіті, то система може стартувати без початкового тиску. Залежно від вільного місця в баках, розміру баків і їх матеріалу система може бути розрахована на накачування тиском в зумовлений момент в польоті.

У варіанті D є два незалежних джерела палива, для маневрування і підтримки орієнтації, що змушує окремо заздалегідь враховувати витрату для кожної з цих функцій. Системи E і F, які виробляють гарячий газ для підтримки орієнтації з палива, використовуваного для маневрування, мають велику гнучкість. Наприклад, невикористане при маневруванні паливо може бути вжито на продовження терміну служби супутника, з яким потрібно підтримувати свою орієнтацію.

Ідеї \u200b\u200bсамонаддува

Варіанти G і H можна назвати рідинними системами "гарячого газу під тиском", або "видування-наддуву", а також "газу з рідини" або "самонаддува". Для керованого наддуву бака відпрацьованим паливом потрібно можливість підвищувати тиск.

Варіант G використовує бак з мембраною, що відхиляється тиском, так що спочатку тиск рідини вище тиску газу. Цього можна домогтися за допомогою диференціального клапана або еластичною діафрагми, яка розділяє газ і рідина. Може використовуватися і прискорення, тобто гравітація в наземних цілях або відцентрова сила в обертовому космічному апараті. Варіант H працює з будь-яким баком. Спеціальний насос для підтримки тиску забезпечує циркуляцію через газогенератор і назад до вільного об'єму в баку.

В обох випадках рідинний регулятор запобігає появі зворотного зв'язку і виникнення довільно високого тиску. Для нормальної роботи системи потрібен додатковий клапан, включений послідовно з регулятором. Надалі він може використовуватися для управління тиском в системі в межах до тиску встановлюється регулятором. Наприклад, маневри зі зміни орбіти будуть проводитися при повному тиску. Зменшений тиск дозволить домогтися більш акуратного підтримки орієнтації по 3 осях, при цьому зберігаючи паливо для продовження терміну служби апарату (див. Додаток).

Протягом багатьох років проводилися експерименти з насосами разностной площі як в насосах, так і в баках, і існує безліч документів, що описують такі конструкції. У 1932 р Роберт Х. Годдард і ін. Побудував насос, що приводиться в дію машиною, для керування рідким і газоподібним азотом. Кілька спроб було зроблено між 1950 і 1970 рр., В яких розглядалися варіанти G і H для атмосферних польотів. Ці спроби зменшення обсягу проводилися з метою зменшити лобовий опір. Роботи ці були згодом припинені з повсюдним розвитком твердопаливних ракет. Порівняно недавно проводилися роботи над системами з самонаддувом, що використовують гідразин і диференціальні клапани, з деякими нововведеннями для специфічних застосувань.

Рідинні системи зберігання палива з самонаддувом не розглядалися всерйоз для довготривалих польотів. Є кілька технічних причин, за якими для того, щоб розробити вдалу систему, має бути забезпечено добре передбачувані властивості тяги протягом всього терміну служби ДУ. Наприклад, каталізатор, підвішений в газі, що забезпечує наддув, може розкласти паливо всередині бака. Буде потрібно поділ баків, як у варіанті G, щоб домогтися працездатності в польотах, які потребують тривалого періоду спокою після початкового маневрування.

Робочий цикл тяги теж є важливим з теплових міркувань. На рис. 5G і 5H тепло, що виділяється при реакції в газогенераторе, втрачено в оточуючих частинах в процесі тривалого польоту при рідкісних включених ДУ. Це відповідає використанню м'яких ущільнювачів для систем гарячого газу. Високотемпературні металеві ущільнювачі імеею великий витік, але вони будуть потрібні тільки якщо робочий цикл ДУ є напруженим. Питання про товщину теплоізоляції і теплоємності компонентів потрібно розглядати, добре уявляючи собі передбачуваний характер роботи ДУ під час польоту.

Двигуни з насосною подачею

Хоча рис. 5J кілька спрощений, він включений тут для того, щоб показати, що це зовсім інший варіант, ніж варіант H. В останньому випадку насос використовується як допоміжний механізм, і вимоги до насоса відрізняються від насоса двигуна.

Триває робота, спрямована в тому числі на випробування ракетних двигунів, що працюють на концентрованої перекису і використовують насосні агрегати. Можливо, що легко неповторним недорогі випробування двигунів, що використовують нетоксичний паливо, дозволять досягти ще більш простих і надійних схем, ніж було досягнуто раніше при використанні насосних гідразінових розробок.

Прототип системи самонаддува бака

Мал. 6 зображує недороге випробувальне обладнання, яке використовує Діференціальний клапанний насос, зроблений з відрізка алюмінієвої труби діаметром 3 дюйми [приблизно 75 мм] з товщиною стінки 0,065 дюйма [приблизно 1.7 мм], затиснутий на кінцях між кільцями ущільнювачів. Сварка тут відсутня, що спрощує перевірку системи після випробувань, зміна конфігурації системи, а також знижує вартість.

Ця система з самонаддувом концентрованої перекису випробовувалася з використанням соленоїдних вентилів, доступних у продажу, і недорогих інструментів, як і при розробці двигуна. Орієнтовна діаграма системи зображена на рис. 7. На додаток до термопарі, занурюваної в газ, температура також мірялася на баку і газогенераторе.

Бак влаштований так, що тиск рідини в ньому трохи вище, ніж тиск газу (???). Численні пуски були проведені з використанням початкового тиску повітря в 30 psig [приблизно 200 кПа]. Коли керуючий вентиль відкривається, потік через газогенератор подає пар і кисень в канал підтримки тиску в баку. Перший порядок позитивного зворотного зв'язку системи призводить до експоненціального зростання тиску до тих пір, поки рідинний регулятор не закривається при досягненні 300 psi [приблизно 2 МПа].

Чутливість до вхідного тиску неприпустима для регуляторів тиску газу, які використовуються в даний час на супутниках (рис. 5A і C). У рідинної системі з самонаддувом вхідний тиск регулятора залишається у вузькому діапазоні. Таким чином вдається уникнути багатьох складнощів, властивих звичайним схемам регуляторів, що використовуються в аерокосмічній промисловості. Регулятор масою 60 грам має всього 4 рухомих частини, не рахуючи пружин, ущільнювачів і гвинтів. Регулятор має гнучкий ущільнювач для закриття при перевищенні тиску. Ця проста осесиметрична схема виявляється достатньої через те, що не потрібно підтримувати тиск в певних межах на вході в регулятор.

Газогенератор також спрощується завдяки невисоким вимогам до системи в цілому. При різниці тисків в 10 psi потік палива досить малий, що дозволяє використовувати найпростіші схеми інжекторів. Крім того, відсутність запобіжного вентиля на вході в газогенератор призводить тільки до невеликих вібрацій порядку 1 Гц в реакції розкладання. Відповідно, порівняно невеликий зворотний потік під час початку роботи системи нагріває регулятор не вище 100F.

Початкові випробування не використовували регулятор; при цьому було показано, що тиск в системі можна підтримувати будь-яким в межах від допустимого тертям ущільнювача до обмежувача безпечного тиску в системі. Така гнучкість системи може використовуватися для зменшення потрібної тяги системи орієнтації протягом більшої частини терміну служби супутника, з причин, вказаних вище.

Одним з спостережень, які здаються очевидними згодом, було те, що бак нагрівається сильніше, якщо в системі відбуваються низькочастотні коливання тиску при управлінні без встановленого коефіцієнту. Запобіжний вентиль на вході в бак, де подається стиснений газ, міг би усунути додатковий потік тепла, що відбувається через коливання тиску. Цей вентиль також не дав би баку накопичувати тиск, але це не обов'язково важливо.

Хоча алюмінієві частини плавляться при температурі розкладання 85% перекису, температура трохи знижується через втрати тепла і уривчастості потоку газу. Бак, показаний на фотографії, мав температуру помітно нижче 200F під час випробувань з підтриманням тиску. Одночасно з цим температура газу на виході перевищувала 400F під час досить енергійних перемикань клапана теплого газу.

Температура газу на виході важлива тому, що вона показує, що вода залишається в стані перегрітої пари всередині системи. Діапазон від 400F до 600F виглядає ідеальним, так як це досить холодно для дешевого легкого обладнання (алюміній і м'які ущільнювачі), і досить тепло, щоб отримати значну частину енергії палива, використовуваного для підтримання орієнтації апарату за допомогою газових струменів. Під час періодів роботи при зниженому тиску додатковою перевагою є те, що мінімальна температура. необхідна для уникнення конденсації вологи, також знижується.

Для роботи якомога довше в допустимих межах температури такі параметри, як товщина теплоізоляції і загальна теплоємність конструкції потрібно підганяти під конкретний профіль тяги. Як і очікувалося, після випробувань в баку було виявлено сконденсованих вода, але ця невикористана маса становить невелику частину повної маси палива. Навіть якщо вся вода з потоку газу, що використовується для орієнтації апарата, сконденсіруется, все одно 40% маси палива буде газоподібним (для 85% перекису). Навіть цей варіант виявляється краще, ніж використовувати стиснутий азот, так як вода легше, ніж дорогий сучасний бак для азоту.

Випробувально обладнання, показане на рис. 6, очевидно, далеко від того, щоб називатися закінченою системою тяги. Рідинні двигуни приблизно того ж типу, що описаний в даній статті, можуть бути, наприклад, підключені до вихідного роз'єму бака, як показано на рис. 5G.

Плани на наддув насосом

Планується використовувати пару насосних камер, що працюють по черзі, замість мінімально необхідної однієї камери. Це дозволить забезпечити постійну роботу підсистеми орієнтації на теплому газі при постійному тиску. Завдання полягає в тому, щоб можна було підбирати бак, щоб зменшити масу системи. Насос буде працювати на частини газу з газогенератора.

дискусія

Ця стаття розглянула можливості використання перекису водню з використанням недорогих матеріалів і прийомів, які можна застосувати в малих масштабах. Отримані результати можуть бути застосовані також і до ДУ на однокомпонентному гідразин, а також і у випадках, коли перекис може служити окислювачем в неотруйних двокомпонентних комбінаціях. Останній варіант включає самозаймисті спиртові палива, описані в (6), а також рідкі і тверді вуглеводні, які спалахують при контакті з гарячим киснем, що виходять при розкладанні концентрованої перекису.

Щодо проста технологія роботи з перекисом, описана в цій статті, може безпосередньо використовуватися в експериментальних космічних апаратах та інших супутниках невеликих розмірів. Всього одне покоління назад низькі навколоземні орбіти і навіть глибокий космос досліджувалися за допомогою фактично нових і експериментальних технологій. Наприклад, система посадки місячного Сёрвейора включала численні м'які ущільнювачі, які можуть вважатися неприйнятними сьогодні, але були цілком адекватні поставленим завданням. В даний час багато наукових інструменти та електроніка сильно миниатюризировать, але технологія ДУ не відповідає запитам маленьких супутників або маленьких місячних посадкових зондів.

Ідея полягає в тому, що замовне обладнання може бути розроблено для конкретних застосувань. Це, звичайно, суперечить ідеї "успадкування" технологій, яка зазвичай превалює при виборі супутникових підсистем. Базою для такої думки служить припущення, що деталі процесів недостатньо добре вивчені, щоб розробляти і запускати абсолютно нові системи. Дана стаття була викликана думкою, що можливість частих недорогих експериментів дозволить дати необхідні знання конструкторам невеликих супутників. Разом з розумінням як потреб супутників, так і можливостей технологією приходить потенційне зниження непотрібних вимог до системи.

Подяки

Дослідження було частиною програми Клементина-2 і Програми Технологій мікросупутників в Лабораторії Лоуренса, за підтримки Дослідницької Лабораторії ВВС США. Дана робота використовувала кошти уряду США і була проведена в Національній Лабораторії Лоуренса в Ліверморі, університет Каліфорнії в рамках контракту W-7405-Eng-48 з Департаментом Енергетики США.

Торпедні двигуни: вчора і сьогодні

ВАТ «НДІ мортеплотехнікі» залишилося єдиним підприємством в Російській 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.