CC BY
263
В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ
УДК 533.6:629.7
В. А. Брусов, Ю. М. Агафонов, И. Р. Гайфуллин, А. Р. Ибрагимов,
Р. Г. Исаков, Р. Н. Закиев, В. А. Старостин
ПЕРСПЕКТИВЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА
В КАЧЕСТВЕ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: сверхглубокий вакуум, абсолютный ноль (0К), жидкий воздух, атомарный водород, диссоциация, регенератор холода, свободные радикалы, рекомбинация, у-излучение, энергия связи, низкотемпературная плазма, температура кипения, тепломассообмен.
Идея имитации сверхглубокого (P=1012 Па) космического вакуума путем откачки воздуха из вакуумной камеры с понижением температуры до абсолютного нуля (0К) при наложении электромагнитного поля с частотой f>100 МГц предложена для реализации процесса получения атомарного водорода. Оценивается техническая и экономическая целесообразность энергетической установки.
Keywords: ultradeep vacuum, absolute zero (0K), liquid air, atomic hydrogen, dissociated, cold regenerator, free radicals, recombination, y-radiation, the binding energy, low-temperature plasma, boiling point, heat and mass transfer.
The creation of super-deep (P=1012 Pa) vacuum pumped air from the vacuum chamber in order to lower the temperature to absolute zero, and impose an electromagnetic field with frequency f > 100 MHz is proposed. The technical and economic feasibility ofpower plant are assess.
Реакция горения водорода в кислороде в присутствии небольших количеств свободных атомов водорода протекает полнее и заканчивается быстрее даже при криогенных температурах, при условии достаточной подвижности атомов в газовой или жидкой фазе. Благодаря наличию в зоне химической реакции активных центров среднее значение энергии активации понижается. Высокая реакционная способность атомов водорода приводит к тому, что они определяют механизм и скорость реакции окисления. Скорость распространения пламени молекулярного водорода -2,59 м/сек, атомарного водорода - 800 м/сек [1].
При рекомбинации атомарного водорода 2Н —— Н2 + 22*105 кДж/кг выделяется тепло в ~17 раз большее, чем при сжигании молекулярного водорода 2Н2 + О2 — 2Н2О + 1,3*104 кДж/кг. Это открывает возможность использования атомарного водорода в качестве однокомпонентного горючего.
Данная реакция используется в так называемой «атомной сварке», когда частично диссоциированный в электрической дуге, водород направляется на свариваемые тугоплавкие металлы и, рекомбинируя на поверхности, выделяет энергию. Время жизни возбужденных атомов составляет ~10-3 с при нормальных условиях, что создает большие трудности для хранения топлива, содержащего свободные радикалы. Использование такого топлива в двигателях связано в первую очередь с решением проблемы стабилизации свободных радикалов.
Стабилизация атомарного водорода в матрице молекулярного водорода реализуется в лабораторных условиях при низких температурах (Т = 0,5-4,0 К) в сильном магнитном поле (плотность магнитного потока 1-3 Тс). В условиях полета летательного аппарата с ЖРДУ это пока не осуществлено.
Таким образом, процесс ассоциации возбужденного атомарного водорода является перспектив-
ным энергетическим источником для использования в ракетных двигателях [1,2,3].
Можно привести следующее обоснование процесса получения атомарного водорода с использованием ядерных реакций. При поступлении жидкого воздуха в вакуумную камеру («регенератор холода» -Р = 10-12 Па, Т— 0К), под воздействием низкой температуры начинается самоуплотнение протонов, нейтронов (нуклонов) в атомах кислорода и азота, связанных между собой ядерными и магнитными силами. (1680 = 8 протонов + 8 нейтронов + 8 электронов; 147Ы=7 протонов + 7 нейтронов + 7 электронов). Ядерные реакции превращения атомов кислорода и азота в атомарный водород эндотермичны и протекают с большим поглощением тепла - понижением температуры и давления, испусканием Y-излучения [4].
Превращение атомов кислорода (азота) в атомарный водород усиливается при наложении внешнего электромагнитного поля на ускорители, которые откачивают по специальным каналам в камеру сгорания двигателя низкотемпературную плазму (Т = 1-4К) - сильноионизованную газовую среду, характеризующуюся почти полным равенством концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц. Плазма сверхтекуча, сверхпроводима, поэтому поток электронов существует неопределенно долгое время и сколь угодно долго сохраняет неизменным движение самих атомов водорода [5];
“С + у-* а - соответственно %Ня - г -*■ -+ - }в
147Ы + у -»42Не + 42Не + 42Не + '
42Не + у —> \Не + \Н + + \Н]
Р + у -> 11Н + 10п -*■ р + 5 — V [6,7]
Процесс массообмена сопровождается теплопроводностью и конвективным переносом [8].
Экспериментальные данные физики высоких энергий показывают, что с уменьшением расстояния между нуклонами силы притяжения сменяются силами отталкивания. Вещество, находящееся в глубоком вакууме (Р=10-1: 2 Па и Т^-0 К), не может существовать долго. В результате очень быстро (за доли секунды) охлаждённое вещество сжимается до ядерных плотностей, подвергаясь одновременному процессу нейтрализации - при этом рождаются нейтроны (р + е = 10n). При высоких плотностях (рп ~ 2,8*1014 г/см3) тождественные частицы - нуклоны не могут находиться в одном состоянии - принцип Паули [9]. Массы этих частиц отличаются друг от друга на доли процента, спины одинаковы и равны А. Ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, имеют, по-видимому, одинаковый характер. Эти особенности позволяют рассматривать протоны и нейтроны как два различных «одинаковых состояния» одной частицы - нуклона [10].
Для реализации рассматриваемого подхода предлагается комбинированный газотурбинный винтовентиляторный двигатель (рис.1-2), содержащий специальную вакуумированную систему в которую входит воздушно-водородо-неоновый (ВВНТ) и воздушно-водородный теплообменники (ВВТ).
Внутренние полости теплообменников имеют вакуумные камеры, где откачивающими ускорителями частиц создается сверхглубокий вакуум (Р=10-12 Па и Т~0 К). Используя жидкий водород (Ткип = 20К) и жидкий неон (Ткип = 28К) система позволяет довести до сжижения (Ткип = 80К) часть воздуха, проходящего через первый контур двигателя. Высокая плотность и удельная холодопроизводительность неона в 3,3 раза больше, чем у жидкого водорода [11]. Ожижение неона не представляет технических трудностей и обычно производится с помощью жидкого азота (Ткип = 77К) с последующим дросселированием. В состав двигателя входит регенератор холода. Способ вакуу-мирования основан на фазовом переходе в жидкий пар (Т кип..воздУха= 80 К), с последующим поглощением тепла, сопровождающимся понижением давления и температуры. Давление связано с кинетической энергией (скоростью) частиц. Средняя энергия частиц пропорциональна температуре газа. Нуль давления означает прекращение теплового хаотического движения частиц. Примером нулевого движения при стремлении температуры к абсолютному нулю (0 К) является движение наиболее легких частиц - электронов [12].
В этой связи можно заметить, что вакуумная камера окружена оболочкой, через которую осуществляется прохождение (расход) жидкого водорода (Ткип. = 20К). Через стенку расположены две полости: с жидким водородом - (20 KJ; вакуумом (сильно разреженная среда) - температура ~ 0 К
Тепло в виде электромагнитного излучения в соответствии со вторым началом термодинамики будет переходить через стенку от более нагретого тела в менее нагретую среду - вакуум. Теплообмен будет проходить, пока стенка, покрытая изнутри платиновой чернью (поглощающая падающий поток электромагнитных волн), характеризуется коэффициентом, равным единице [13].
Рис. 1 - Комбинированный газотурбинный винтовентиляторный двигатель: 1 - воздушно-водородо-неоновый теплообменник (ВВНТ); 2 - винтовентилятор; 3- передняя опора двигателя; 4 - воздушно-водородный теплообменник (ВВТ); 5 - регенератор холода (вакуумная камера) ВВНТ; 6 - средняя опора двигателя; 7 - мультипликатор; 8 - высоконапорный скоростной компрессор (ВНСК); 9 - камера сгорания; 10 - двухступенчатая активно-реактивная турбина; 11 - ядерный реактор на быстрых нейтронах, расположенный во втором контуре двигателя; 12 - экспериментальный ядерный реактор, расположенный за турбиной по оси двигателя; 13 - лепестковый смеситель потока воздуха второго контура с потоком газа первого контура двигателя; 14 - сопло Лаваля, общее для обоих контуров двигателя; 15 - первый контур двигателя
I_____________________________________I
Рис. 2 - Двухконтурный комбинированный газотурбинный винтовентиляторный двигатель: 17 - регенератор холода (вакуумная камера) воздушно-водородо-неонового теплообменника (ВВНТ); 18 - перфорированный кок ВВНТ; 19 -сотовый наполнитель регенератора холода ВВНТ; 20 -воздушно-водородный теплообменник (ВВТ); 21 - внутренняя (шаровая) неоновая полость; 22 - полая спица передняя; 23 - жиклеры полых спиц; 24 - наружная теплоизоляция; 25 - силовое профилированное кольцо с жиклерами; 26 - патрубок с фланцем входной (подвод неона); 27 - патрубок с фланцем выходной (отвод неона); 28 - наружная кольцевая полость ВВНТ; 29 -сборник откачки воздуха из ВВНТ; 30 - соединительные трубки; 31 - трубопроводы откачки воздуха; 32 - ускоритель частиц, создающий глубокий вакуум в регенераторе холода ВВНТ; 33 - патрубок с фланцем - подвод жидкого водорода; 34 - патрубок с фланцем - отвод жидкого водорода; 35 - труба, соединяющая наружную полость ВВНТ с внутренней шаровой полостью; 36 - труба, соединяющая внутреннюю шаровую полость ВВНТ с наружной; 37 - полая спица задняя
холода» (\/=1 0,5 м3, \/=1/р = 10,5 х Ю10,
Рис. 3 [14] - Перенос энергии электромагнитным излучением
Если изолировать поток воздуха первого контура от теплообменника и перекрыть кран подачи жидкого водорода на ускоритель вакуумной камеры -водород затвердеет при Тзатв. = 14К. После этого наступит фаза физического вакуума.
Я-Я
Рис. 4 - «Регенератор холода»: 4 - воздушноводородный теплообменник (ВВТ); 5 - регенератор холода (вакуумная камера) ВВТ; 15 - первый контур двигателя; 16 - второй контур двигателя; 69 -вал винтовентилятора; 78 - двухпозиционный кран подвода жидкого водорода (Н2) и жидкого воздуха (N2 и О2) к ускорителям частиц; 79 - гибкий трубопровод; 80 - трубопровод подвода водорода (Н2) или воздуха (^ и О2); 81 - окна вакууми-рования; 82 - кольцевой канал ускорителя; 83 -трубопровод отвода атомарного водорода (Н ); 84 -сверхпроводящие ускоряющие электрические обмотки; 85 - термоклапан
Расчёты энергетических характеристик можно осуществить, опираясь на уравнение состояния идеального газа PV=R7", из которого получаем
і = (1). Из уравнения 1 следует, что если в «реге-
лі
нераторе холода» (непрерывная откачка частиц ускорителями) давление уменьшается, то понижается и температура, которая стремится к абсолютному нулю
Н0К).
В «регенераторе холода» создается сверхглубокий вакуум (Р=10" Па) - (в другой размерности -Р=1,02х10"13 кг/м2); Р - газовая постоянная -
Р =
■=9,528*10'12 кг/м 3)
іс-.ь х та*-0.
Указанные значения подставляем в (1)
' ' №
1,02 х 10-13 {кг/ 2]х 10,5 х 1010 *-
29,27
кгс х Н
= 0,366 х 10-3К
29,27'
кг х град
В вакуумную камеру через форсунку впрыскивается определенное количества (в зависимости от режима работы двигателя) жидкого воздуха (Ткип. воздуха= 80К). Происходит мгновенное самоуплотнение нуклонов (в атомах кислорода и азота). В результате в ядре атома нейтрон, распадается с испусканием электрона и нейтрино, " .. Электрон с огромной ско-
ростью движется в сторону ядра атома водорода; при взаимодействии возникает у-излучение.
у - излучение взаимодействует с ядром атома кислорода (азота) и расщепляет его на атомы гелия по схеме ядерной реакции
+ у -+ в + \Вв 4 4 ?й«,
и, далее, соответственно
л Де + У їй 4 їй + і'й расщепляется на
атомарный водород.
Для примера приведем элементарный расчет для молекулы водорода, помещенной в глубокий вакуум Р=10"12Па и X /Г или в килограммах
на квадратный сантиметр давление вакуума равно
Рвак=1,02х10-1 (кг/см2).
Энергия связи в молекуле водорода равна Есв=3,7010295х10-13 (НМ)
Сила связи между атомами водорода (при Оат вод =10-10 (М)), находим из уравнения
Р = Оат.вод= Есв=3,7010295х 10"13 (НМ).
Р = = у у 1Га до = у? х 10Н£В}
Давление между ядрами атомов в молекуле водорода определяется из формулы:
F 3>77Х 4 ^
'"і- -***”< /*>
Из приведенных расчетов видно, что давление глубокого вакуума по отношению к давлению связи между атомами в молекуле водорода, помещенной в вакуум, становится отрицательным и при наложении внешнего электромагнитного поля способствует расщеплению молекул водорода на отдельные атомы.
При расщеплении молекулярного водорода (Н2) на атомы затрачивается энергия 2,14780х105 кДж/кг (потери), однако, при подаче атомарного водорода в камеру сгорания двигателя происходит рекомбинация 2Н—*/-/2+0, где О = 2,2x105(кДж/кг), при этом имеет место положительный энергетический баланс, ДЕ=2,22х105(кДж/кг) - 2,14780х105(кДж/кг) = 5,22х103(кДж/кг). Эта энергия расходуется на подогрев воздуха в камере сгорания.
Приведем пример для случая подачи в среду глубокого вакуума жидкого кислорода. Энергия связи между нуклонами кислорода равна Е*с = 128,11 х Ю6 эв = 2,05254* 10"11 (НМ), что на
V - объем вак. камеры - 1/р два порядка больше, чем у связи между нуклонами
(м3/кг)=10,5 х 1010(м3/кг) - параметр «регенератора
водорода Есв=3,7010295х10-13 (НМ). Однако при
к
давлении вакуума, равного Рвак=1,02х10"17(кг/см2), энергия, необходимая для разрыва связи между нуклонами кислорода, остаётся значительной, тем более, что при наличии внешнего электромагнитного поля процесс расщепления усиливается. Учитывая разность энергий - глубокого вакуума и энергии связи между нуклонами - кинетическая энергия атомов при конденсации должна увеличиваться, что приведет к расщеплению атомов кислорода (азота)
Ог I О;
?йа- ?йа- ?йа + \Иш,
-* \в - 1в -
Известно, что энергия связи представляет собой разность между энергией некоторой совокупности частиц в связанном состоянии и энергией такого состояния, когда эти частицы разделены и удалены друг от друга. Энергия связи в системе по величине равна той работе, которую необходимо затратить, чтобы разложить систему на составляющие ее частицы. Так как при образовании связанного состояния энергия выделяется, то энергия связи является отрицательной величиной. Чем выше значение энергии по абсолютной величине, тем прочнее связь. Например, энергия связи между нуклонами водорода равна -2,31Мэв = 2,31 х Ю6 эв; энергия связи между нуклонами гелия (пЙ£) = 28,2 х 106 эв; энергия связи между нуклонами кислорода (%0) = 128,11 х Ю6 эв; энергия связи между нуклонами урана ( 2|^) = 1780 х 106 эв [15]. '
Предварительная подготовка топливо-
воздушной смеси способствует более равномерному распределению соотношения компонентов в объеме камеры сгорания, полному тепловыделению. Процесс переноса теплоты от продуктов сгорания осуществляется принципиально отличными способами: тепло-
проводностью, конвективным переносом; излучением. Процесс расширения газа в сопле сопровождается физико-химическими превращениями, изменением энергии и степеней свободы атомов, реакциями рекомбинации [16].
Следует отметить, что атмосфера Земли представляет собой чрезвычайно сложную систему. Температура и давление изменяются с высотой в широких пределах. Под влиянием земного притяжения более тяжелые атомы и молекулы опускаются в нижнюю часть атмосферы, а в ее верхней части остаются более легкие атомы и молекулы. В результате состав атмосферы оказывается непостоянным. Несмотря на наличие многих веществ, атмосфера на высоте 10-12 км (тропосфера) рассматривается в данном случае, как «идеальная атмосфера», состоящая только из постоянно присутствующих газов, т.е. не содержащая водяного пара (атмосферный воздух н > 7км сухой), а также твердых и жидких примесей (пыли и продук-
тов конденсации). Они отличаются постоянством своих оптических свойств, т.е. величин коэффициентов ослабления и прозрачности, поэтому не требуется применения [17] компрессора, систем очистки и сушки воздуха; разделительной аппаратуры для освобождения СО2; системы предварительного охлаждения (температура воздуха на высоте 10 км равна 217К); обслуживающего персонала - технологический процесс полностью автоматизирован и управление осуществляется с пульта кабины экипажа.
Один из наиболее важных процессов происходящих в криогенном воздухе определяется энергией диссоциации + и 0.2 -#0+0 [18].
Воздух благодаря большой сжимаемости при низких температурах (Ткип= 80К) становится настолько плотным, что по физическим свойствам больше напоминает воду, чем пар. Жидкий воздух - голубоватая жидкость, легко подвижная, которой присущ определенный объем, сжимаемость невелика, плотность р = 0,96 г/см3 [19].
Практическая реализация описанных процессов в ЖРДУ позволит обеспечить высокую величину габаритной тяги и низкий удельный вес (при заданном тепловом потоке и распределении теплопередачи), что в настоящее время является стратегическим направлением двигателестроения и ракетостроения.
Литература
1. Д.Ю.Гамбург, Н.С. Дубовкин, Справочник. Водород. Физикохимические свойства водорода, получение, применение, хранение и транспортировка. Химия, Москва, 1989, С.88.
2. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. Машиностроение, Москва, 1988, С.60.
3. Журнал «Ракетная техника и космонавтика», 10, 40 (1973).
4. Атомная энергия, краткая энциклопедия. Государственное научное издательство. Советская энциклопедия, Москва, 1958, С.324.
5. П. Эткинс, Порядок и беспорядок в природе. Мир, Москва, 1987, С. 142.
6. Ю.М.Широков, Н.П. Юдин, Ядерная физика. Наука, Москва, 1980, С.114.
7. В.Е. Левин, Ядерная физика и ядерные реакторы. Атомиздат, Москва, 1975, С.150.
8. А.В. Болгарский, Г. А. Мухачёв, В.К. Щукин, Термодинамика и теплопередача. Высшая школа, Москва, 1975, С.239-251.
9. Р. А. Сюняев, Физика космоса. Советская энциклопедия, М., 1986. С.434.
10. Атомная энергия, краткая энциклопедия. Советская энциклопедия, 1958, С.255.
11. Г.А. Головко, Криогенное производство инертных газов. Машиностроение, Ленинград, 1983, С.322.
12. Л Д. Ландау, А. Ливанова. Знание, Москва, 1978, С.101-105, 139.
13. Физический энциклопедический словарь. Советская энциклопедия, Москва, 1983, С.7.
14. К. Гладков, Энергия атома.. Детская литература, Москва, 1968, С.379.
15. Атомная энергия, краткая энциклопедия. Советская энциклопедия, 1958, С.525.
16. А.В. Болгарский, Г.А. Мухачёв, В.К. Щукин, Термодинамика и теплопередача. Высшая школа, Москва, 1975, С.239-251.
17. Химия в центре наук. Том 1. Мир, Москва, 1983, С.311.
18. М.Е. Дрица, Справочник. Свойства элементов. Металлургия, Москва, 1985, С.269.
19. П.Л. Капица, Эксперимент, теория, практика. М.: Наука, 1981, С.61.
© В. А. Брусов - инж.-механик КНИТУ-КАИ; Ю. М. Агафонов - инж.-конструктор I категории КНИТУ-КАИ; И. Р. Гайфуллин - разработчик - исследователь по разработке ЛА КНИТУ-КАИ; А. Р. Ибрагимов — асп. каф. материаловедения, сварки и структурообразующих технологии КНИТУ-КАИ, ibragimovscript@mail.ru; Р. Г. Исаков - инж.-механик; Р. Н. Закиев — инж.-электромеханик ЛА; В. А. Старостин — бортинженер ЛА.
