CC BY
4
УДК 621.454.2
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
C. C. Марьясов*, Б.А. Раменский, Д. П. Рейфшнейдер Научный руководитель - В. В. Черненко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф.Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: seregamar6443@mail.ru
Рассматриваются преимущества и недостатки использования водородного топлива в ЖРД. Транспортировка водорода - это очень дорогостоящий и энергозатратный процесс. Решением этой проблемы будет производство водорода на месте его использования.
Ключевые слова: водород, жидкостные ракетные двигатели, горючее, окислитель, ракетное топливо.
ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF THE USE OF HYDROGEN FUEL
IN LIQUID ROCKET ENGINES
S. S. Maryasov*, В. А. Ramensky, D. P. Reifshneider Scientific supervisor - V. V. Chernenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: seregamar6443@mail.ru
The advantages and disadvantages of using hydrogen fuel in liquid rocket engines are considered. Hydrogen transportation is a very expensive and energy-consuming process. The solution to this problem will be the production of hydrogen at the place of its use.
Key words: Hydrogen, liquid rocket engines, fuel, oxidizer, rocket fuel.
В настоящее время ракетные двигатели, основанные на водороде и кислороде используются в области космонавтики и ракетостроения.
В проектирование ракетных двигателей наших дней продолжается развитие и совершенствование технологий в различных направлениях. Где главными задачами являются снижения стоимости, увеличение удельного импульса и устранения вредного экологического следа на окружающий мир. Поэтому предпочтение отдается тем ракетным двигателям, в которых минимизируется число опасных агрегатов и которые по Тактико-технические характеристикам превосходят устаревшие модели. Современным видам топлива, которые показали высокую надежность, и слаженность работы отдается наибольшее предпочтение. Одним из таких видов топлива является водород, который на современном этапе развития ракетостроения имеет свои плюсы и минусы. Водород в паре с любым окислителем является горючим с наибольшим удельным импульсом по сравнению с другими топливами, что позволяет при одинаковой стартовой массе ракеты выводить в космос большую массу полезного груза.На сегодняшний день одним из перспективных направлений развития является производство сжиженного кислорода и водорода непосредственно на месте его использовании. Водород в паре с кислородом - самая эффективная пара горючего и
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
окислителя.Водород как топливо всем хорош, в том числе и тем, что в процессе его сгорания в кислороде образуется лишь вода. Решение по кислороду уже есть. На сегодняшний день развитие технологий позволяет организовать добычу кислорода на месте. Этот способ получения кислорода заключается в криогенной ректификации либо с использование адсорбционной или мембранной технологий[1-2].
Водород является безуглеродистым источником энергии, используемым в топливных элементах. Водород — идеальное топливо. Положительными качествами водорода как горючего является, во-первых: реакция воспламенения происходит быстрее, чем в других видах топлива; во-вторых: возникает меньший уровень шума при работе двигателя, основанного на водороде,и в третьих: при отработке водородной смеси на выходе образуется только вода без каких-либо вредных газов, что в свою очередь положительно влияет на проблему экологических последствий. Стоит отметить, что запасы водорода безграничны. Водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах, что не несет неблагоприятных факторов природе. Поскольку он встречается практически везде, он может быть произведен в тех местах, где нужно использовать водород.
Водород является одним из многочисленных элементов, который практически в чистом виде не встречаются в природе, но активно используются в разных промышленных отраслях. Получение водорода энергозатратный и дорогостоящий процесс. Кроме положительных качеств есть и отрицательные. Например, первые сложности в использовании жидкого водорода исходит из его свойств:высокая взрывоопасность, низкая температура сжижения, низкая плотность, а также негативное воздействие на инфраструктурные конструкции, приводят к необходимости разработки эффективных способов хранения и транспортировки водорода. Доставка криогенных элементов топлива имеет свои отрицательные моменты. В отношении доставки водорода является наиболее затруднительным, нежели кислорода. это связанно с отсутствием технологий транспортировки больших объемов водорода по трубопроводам на дальние расстояния. Из сложности в транспортировке вытекает следующая проблема: для сжатия газа требуется прочные, тяжелые баллоны. Из-за крайне низкой плотности водорода, его обычно применяют во 2-3 ступенях ракет, а первые ступени ракет-носителей использовали другие менее эффективные, но более плотные виды горючего, что позволяло уменьшить размеры ракеты до приемлемых. Пример такой «тактики» — ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени — кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый. Третья сложность заключается в его сжижение. Получение 1 кг жидкого водорода обходится для космических предприятий в несколько десятков раз дороже, чем получение 1 кг керосина. Следующей сложностью является, то, что через микроскопические поры и трещинки водород улетучивается намного легче и быстрее чем какой-либо другой вид топлива. Для получения более точной информации стоит сравнить с другими видами горючего (метан и керосин). Полученные данные представлены в таблице 1 [3-4].
Таблица 1
Сравнение физических свойств некоторых горючих ЖРД_
Метан (жидкий) Керосин Водород
Молекулярная масса а. е. м 16,043 100 2,016
Плотность, г/см3 0,42 0,75-0,85 0,0000899
Температура кипения, оС -161,6 150-250 -252,87
Критическая температура, К 191 673 32,24
Удельная энтальпия, кДж/кг -5566 -1948 14,304
Но несмотря на множество отрицательных качеств водорода, решение по их устранению уже есть и продолжают бурно прорабатываться и дополнятся благодаря современным технологиям. На сегодня развитие науки и техники в целом позволяют организовывать добычу водорода на месте использования, что устраняет проблему в производстве и транспортировке [5-7].
Проведя анализ, можно сделать вывод, что водород является важной вехой в освоение космоса. Но на данном этапе развития космической промышленности у водорода имеются несколько недостатков, которые мешают полноценно его использовать в космической промышленности. Для широкомасштабного применения водорода необходимо решить проблемы, связанные с его транспортировкой.Основнойпроблемойдля водородной логистики в целом являются молекулярные параметрыводорода, позволяющие ему с той или иной скоростью просачиваться сквозь материалы, из которых выполнены системы хранения итранспортировки.В настоящее время водород транспортируется по специальным трубопроводам, и в автоцистернах для низкотемпературных жидкостей, в трубчатых прицепах, перевозящих газообразный водород по железной дороге или на баржах, что является крайне неудобным и опасным. Единственным решением проблемы транспортировки является строительство инфраструктуры по добыче водорода в непосредственной близости от ракетно-космических комплексов.
Библиографические ссылки
1. Штехер М.С. Топливо и рабочие тела ракетных двигателей. Учебное пособие для авиационных вузов. М: "Машиностроение", 1976. - 304 с.
2. Александров А.А. ,Бармин И.В. ,Кунис И.Д., Чугунков В.В. Особенности создания и развития криогенных систем ракетно-космических стартовых комплексов "Союз". Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия «Машиностроение» 2016г.
3. Беляков В.А., Василевский Д.О. Перспективные схемные решения безгазогенераторных двигателей // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2019. №58. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/perspektivnye-shemnye-resheniya-bezgazogeneratornyh-dvigateley (дата обращения: 01.04.2022).
4. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс]. URL: https:nashipoezda.ru/warehouse/ chem-aktualno-ispolzovat-vodorodnoe-toplivo-vodorodnoe-toplivo-vodorod.html
5. Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева 1946-1996. Москва, Менонсовполиграф, 1976, 670 с.
6. Черемных О.Я. Создание, совершенствование конструкций, перспектива развития транспортных средств для жидкого водорода // Интернет журнал; наука и инновации. 2017 Вып 3.
7. Криогенная техника // Сборник научных трудов под редакцией доктора технических наук В И. Сухова 1999 ,ОАО "Криогенмаш", 1999. - 101 с
© Марьясов C.C., Раменский Б.А., Рейфшнейдер Д. П., 2022
