CC BY
389
Об авторах
В. И. Таранов — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта. Е. Д. Тосунова — студ., РГУ им. И. Канта.
80
УДК 621.7.03
А. Н. Нестеренко, С. В. Солодова
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МОНОТОПЛИВНЫЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Дан краткий обзор о последних достижениях в области применения перспективных видов «зеленого» топлива. Рассмотрены разработки иностранных ученых, а также последние достижения российских инженеров.
The short review about last achievements in a scope of perspective kinds of «green» fuel is given. Workings out of foreign scientists, and also last achievements of the Russian engineers are considered.
Для стабилизации и ориентации космического аппарата (КА) в полете нужны реактивные двигатели малой тяги. Для этой цели были разработаны однокомпонентные термокаталитические двигатели (ТКД). Двигательная установка (ДУ) на базе такого двигателя впервые была применена на КА «ГЛОНАСС» 25 лет назад [1]. Двигатель оказался достаточно эффективным, надежным и в дальнейшем использовался на различных КА. Вместе с тем другие разработчики КА не решались ставить на борт монотопливный ТКД, отчасти из-за повышенной токсичности топлива.
Поэтому актуальной становится задача разработки и применения в ЖРДМТ альтернативных монотоплив (ОАТ), которые, в отличие от токсичного монотоплива, обладали бы следующими достоинствами:
— были бы малотоксичными и экологически безопасными;
— обладали бы более высокими энергетическими характеристиками и создавали повышенный удельный импульс тяги;
— имели бы большую плотность, чтобы уменьшить объем баков ДУ, что особенно актуально с повышением сроков активного существования КА;
— имели пониженную температуру замерзания.
Начиная с середины 90-х годов в США и Западной Европе (Франции, Швеции, Нидерландах, Германии и других странах) осуществляется поиск, исследования и разработка жидких однокомпонентных топлив (ОТ) на основе твердых высокоэнергетических веществ, которые ранее отрабатывались в различных областях оборонной техники. К ним относятся следующие соединения:
1) динитроамид аммония, NH4N(NO2)2 — (АДНА);
2) нитрат гидроксиламмония, NH3OHNO3 — (НГ А);
3) нитроформиат амидола, N2H5C(NO2)3 — НФГ.
Эти малотоксичные монотоплива получили общее название «green fuel» — «зеленое топливо». Связано это с тем, что исходные составляющие разрабатываемых ОТ являются или слаботоксичными, или вовсе нетоксичными соединениями. Продукты выбросов этих ОТ в основном состоят из азота, паров воды, углекислого газа.
Начиная с середины 90-х годов за рубежом (США, Швеция и др.) АДНА стал рассматриваться как основа ОТ, альтернативное амидолу.
АДНА растворяют в воде и в раствор вводят жидкий или твердый горючий компонент. Массовое содержание АДНА и горючего в рецептуре подбирается таким образом, чтобы имело место стехиометрическое соотношение между ними. Вода используется как растворитель и снижает пожаровзрывоопасные характеристики АДНА.
В патенте [2] рассмотрена технология получения ОТ на основе АДНА. В качестве горючего предлагается использовать: метанол, этанол, глицин, глицерин и др. Сформулированы требования к ОТ на основе АДНА: малая токсичность, низкая пожаровзрывоопасность, высокие удельные характеристики, высокая плотность, стабильность и сохраняемость в диапазоне температур -10 ... +60 °С.
Пути повышения стабильности АДНА при хранении в составе жидких ОТ описаны в патенте [3]. В качестве стабилизатора предлагается использование гексамина (hexamine), аммиака.
В таблице 1 представлен ряд ОТ на основе АДНА, массовые соотношения составляющих рецептур, плотности, энергетические характеристики ОТ. В этой же таблице приведены аналогичные показатели для рецептур ОТ на основе НГА и амидола [4].
Таблица 1
Топливо Состав топлива и рецептур, массовый % Плотность, г/ см3 Удельный пустотный импульс, с Температура горения, °С
LMP- 101Х 61 % АДНА + 13 % глицин + 26 % Н2О 1,38 247 1700
LMP-102 58 % АДНА + 16 % глицин + 26 % Н2О 1,39 218 1280
LMP- ЮЗХ 64,3 % АДНА+11,4 % метанол+24,3 % Н2О 1,30 257 1800
62,8 % АДНА+1 1,2 % метанол +26 % Н2О 1,30 253 1730
55,3 % НГА +24,6 % метанол + 20,1 % Н2О 1,32 239 1500
55,3 % НГА + 24,6 % глицин + 20,1 % Н2О 1,33 204 1100
Амидол, XNнз = 0,6 1,0 238 900
Как следует из приведенных данных, удельный пустотный импульс тяги рецептур на основе АДНА (ЬМР-101Х, ЬМР-103Х) превосходит кп для ^Н на 4...8 % и уступает на 15 % (ЬМР-102). Объемный пустотный импульс этих рецептур из-за их высокой плотности существенно превосходит (на 20...40 %). Температуры горения данных рецептур
существенно выше температуры разложения №Н4. Особенность разрабатываемых рецептур заключается в том, что температуру сгорания ОТ можно уменьшить, увеличив массовую долю воды в рецептуре. Однако
82
очевидно, что это приведет к уменьшению энергетических показателей ОТ, что изображено на рисунке 1.
АДНА + этиленгликоль АДНА + этиловй спирт
1,7 -
Ъ і *
^ 1,5 и
а 1,4
0 1 К 0 2 шцентрац 0 3 ия воды, 0 40 %
б
а
в
Рис. 1. Расчетные характеристики топлив в зависимости от массовой концентрации воды: а — температура камеры; б — плотность; в — пустотный удельный импульс тяги
Требования, предъявляемые к альтернативным однокомпонентным монотопливам (АОТ), достаточно высокие. Вновь разрабатываемые монотоплива должны быть малотоксичными, экологически безопасными веществами и по основным показателям не уступать амидолу. При прочих равных условиях предпочтительнее, чтобы оно разлагалось при низких температурах в термокаталитической или термической реакции. В таблице 2 представлены требования к перспективным монотопливам.
С увеличением САС возрастают потребные запасы топлива и лучшие условия для складирования обеспечивают вещества с большей плотностью, что в конечном итоге определяет габариты и массу системы хранения ДУ. Запорно-регулирующая арматура в системе хранения и подаче ДУ имеет уплотнительные элементы на основе фторопластов, которые сохраняют свои упругие свойства до температуры -10°С. Поэтому температура замерзания АОТ должна быть не выше -20°С, но нет смысла существенно ужесточать требования по этому параметру.
Таблица 2
Параметры Амидол АОТ
Ближайшая перспектива Конечные цели
Токсичность Токсичен Не токсичен Не токсичен
Удельный импульс тяги, с 215 200—240 240 — 280
Плотность, г/ см3 1,02 1,2 1,4
Температура замерзания, °С 2 -15 -20
Время выхода до 90 % Рк, с Менее 0,2 0,2 0,03
Температурный диапазон эксплуатации, °С 5 — 50 Минус 0—50 Минус 10 — 50
Время огневой работы, ч 50 7 50
Число включений 130000 20000 100000
Гарантийный срок эксплуатации, год 10 2 10
Температура начального нагрева, °С 350 300 300
83
Работы ведутся по широкому спектру направлений — от начальных поисковых исследований до практической реализации. Состоялось несколько международных конференций по «зеленому топливу»: в 2004 году в Сардинии (Италия), в 2006 году в Потире (Франция). Увеличивается количество докладов по этой теме на более представительных международных форумах по космосу и перспективным космическим двигателям. Первый демонстрационный полет с использованием ДУ на основе экологически чистого топлива запланирован на 2009 год по программе PRISMA, разработанной шведской космической корпорацией. На спутнике планируется совместное размещение ДУ на амидоле и ДУ на малотоксичном топливе LMP-103S на основе водного раствора АДНА, метанола и аммиака. ДУ смогут действовать как раздельно, так и одновременно. ДУ на амидоле состоит из 6 двигателей тягой 1 Н. Масса амидола — 11 кг, обеспечит приращение характеристической скорости КА примерно на 110 м/ с. Длительность включения двигателей составит от 0,1 с до 2 минут. Два двигателя на альтернативном топливе создают тягу 1 Н. Масса топлива LMP-103S — 5,6 кг, обеспечивает приращение скорости около 60 м/ с. Длительность включения двигателей такая же, как и у амидольных [5]. Таким образом, применение новых ОТ выходит на стадию летно-космического эксперимента.
Разворачивание аналогичных работ в России является своевременным и актуальным. В этом направлении уже делаются первые шаги под эгидой РНЦПХ.
Список литература
1. Main Results 20 Year Operating Activities In Space Of Monopropellant Liquid-Propellant Rocket Engines Of EDB Fakel // 6th International Symposium Propulsion for Space Transportation on the XXIst century 14 — 17 May 2002, Palais des Congres Versailes — France.
2. Патент 6254705, Anflo K., Haninge K. at. al. Liguid propellants. Подан 26.02.1999, зарегестрирован 03.07.2001.
3. Патент 6113718 США, Ridjrest K. AND-stabilizers. Подан 22.12.1998, зарегистрирован 05.09.2000.
4. Anflo K., Gronland T., Bugmon G. Towards green propulsion for spacecraft with AND-based monopropellant. AIAA-2002-3847.
5. Anflo K. at, al. Green propulsion for spacecraft towards the first flight of AND-based propulsion on Prisn in 2009. IAC-06-C4.1.08.
Об авторах
А. Н. Нестеренко — ведущий науч. сотр. ОКБ «Факел».
С. В. Солодова — асп., РГУ им. И. Канта.
84
УДК 621.785.53
А. Н. Тарасов, Н. Р. Павловский, Е. В. Ясинская
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ КАРБОНИТРИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Исследованы свойства диффузионных слоев, формирующихся на титановых сплавах при проведении высокотемпературной химико-термической обработки в активированных древесноугольных смесях. Установлены особенности морфологии изломов и микроструктура слоев на титановых сплавах ВТ6,
ВТ14 с применением растрового электронного микроскопа.
Properties diffusion the layers formed on titanic alloys at carrying out of high-temperature chemical-thermal processing in activated the coal mixes are investigated. Features of morphology of breaks and a microstructure of layers on titanium alloys with application of a raster electronic microscope are established.
Упрочняющая химико-термическая обработка деталей из титановых сплавов — оксиазотирование, карбонитрирование перспективны для повышения эксплуатационных свойств износостойкости, коррозионной стойкости, трибологических характеристик поверхности [1 — 3].
В ОКБ «Факел» совместно с РГУ им. И. Канта проведены опыты и исследования по определению возможности упрочения деталей ЭРД МТ, а также специального инструмента и оснастки из сплавов титана ВТ1-0, ВТ-6, ВТ-14 в новых порошковых смесях на основе активированных древесных углей с азотоуглеродосодержащими активирующими компонентами [5 — 7].
Образцы для исследований, мелкоразмерные детали и инструмент изготавливали из прутков технического титана ВТ1-0 010 мм по ОСТ 1.90173-75; сплава ВТ-6, плиты толщиной 12 мм по ГОСТ 22 178-76; сплава ВТ-14, прутка 014 мм по ОСТ 1.90266-78. Диффузионное насыщение проводили в порошковых древесноугольных смесях с упаковкой в герметичные контейнеры из нержавеющей стали 12Х18Н10Т по схеме «контейнер в контейнере» (табл. 1). Порошковые смеси содержали в
