Ракетные двигатели на метане Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

рания на единицу массы выше, чем у углеводородных горючих. Водород горит почти невидимым голубым пламенем. Основным продуктом сгорания ки-слородо-водородной смеси является перегретый водяной пар. Удельный импульс двигателей на этом топливе может достигать от 450 до 480 с в зависимости от конструкции двигателя. (Двигатели, использующие жидкий водород, обычно работают в режиме избытка горючего, что позволяет уменьшить массовый расход топлива и повысить экономичность.)

Не всегда легко сделать выбор между углеводородным горючим и жидким водородом. Обычно для первых ступеней ракет используют жидкое углеводородное (или смесевое твердое) топливо для прохождения плотных слоев атмосферы на первых минутах полета. Конечно, жидкий водород - очень эффективное горючее, однако из-за его малой плотности для первой ступени потребовались бы большие топливные баки, что привело бы к увеличению веса конструкции и лобового сопротивления ракеты. На больших высотах и в космосе чаще применяются водородные двигатели, где их преимущества проявляются в полной мере.

С точки зрения термодинамики жидкий водород -идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и

для турбины ТНА, в последнем случае даже не обязательно высокой температуры. Отличный охладитель, как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода турбины.

Наиболее распространенными топливами на основе водорода на настоящий момент являются керосин и гидразины.

В области развития ракетных двигателей стоит еще много нерешенных задач конструкторского, технологического, эксплуатационного, экономического и экологического характера. Совершенствование методов оценки водородных топлив позволит решать практические вопросы создания и рационального применения ракетных и реактивных топ-лив.

Библиографическая ссылка

1. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. М. : Машиностроение, 1990.

© Дюкарев Ю. Ю., Голиковская К. Ф., 2010

УДК 621.039.577.679.78

И. Е. Емельянов Научный руководитель - М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА МЕТАНЕ

Рассмотрены перспективы развития ракетных двигателей на метане.

Природный газ (и его составляющая метан) как горючее с начала космической эры привлекал к себе внимание двигателистов. Сжиженный природный газ на 90 % и более состоит из метана. Он неядовит, коррозионно пассивен. При сгорании в кислороде при оптимальном соотношении окислитель/горючее (далее - Ок/Гор) дает экологически чистые газообразные продукты, состоящие из водяного пара и моно- и двуокиси углерода. По плотности метан в два раза легче керосина, но в шесть раз плотнее водорода. Энергетическая ценность его несколько выше, чем у керосина, но значительно ниже, чем у водорода.

Относясь к криогенным горючим, он рассматривается в паре с жидким кислородом. Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород -жидкий метан» на 3,4 % выше, чем топлива «жидкий кислород - керосин», но на 20,5 % ниже, чем топлива «жидкий кислород - жидкий водород». По объемному удельному импульсу (достаточно условная величина, характеризующая энергетику топлива применительно к заданной емкости баков ракеты) метан уступает керосину. Следует сказать, что в

настоящее время прогресс в материаловедении привел к разработке относительно легких топливных баков, масса которых все в меньшей степени влияет на т.н. «сухую» массу ракеты.

Промышленность освоила получение сжиженного природного газа и метана в необходимых количествах, благодаря чему по стоимости он сопоставим с керосином, а для регионов, богатых нефтью (к которым относится и Россия), даже дешевле. Таким образом, для многоразовых носителей метановое топливо выгодно и из-за своей относительно малой удельной стоимости. Кроме того, в отличие от керосина (и его современных токсичных синтетических производных типа «синтина»), пятна пролива жидкого природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.

Из отрицательных качеств метана, кроме пониженной плотности, можно выделить низкую температуру кипения и, как следствие, неудобства при хранении. Здесь он приближается к жидкому кислороду. Кроме того, смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна, что заставляет принимать дополнительные меры безопасности при хранении.

Секция «Энергодвигательные установки и системы терморегулирования»

Занимая «нишу» между керосином и водородом, метан позволяет достаточно просто создавать двигатели любой принципиальной схемы: замкнутой с окислительным газогенератором (ГГ), замкнутой с восстановительным ГГ, открытой (незамкнутой) и даже такой экзотической для отечественного двигателестроения схемы, как так называемая

«расширительная» или теплообменная, когда жидкий метан, проходя рубашку охлаждения камеры сгорания, газифицируется и вращает турбину ТНА, а потом сбрасывается в камеру сгорания и дожигается там.

© Емельянов И. Е., Краев М. В., 2010

УДК 621.762.8

О. В. Забабурина Научный руководитель - А. М. Жижкин Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Самара

О ПРЕДСТАВЛЕНИИ СТРУКТУРЫ В ПОРИСТЫХ ВОЛОКНОВЫХ МАТЕРИАЛАХ ТИПА МР

Размер пор, плотность распределения пор по размерам, параметры распределения, волокновый материал типа МР.

Для сравнения пористых структур по размерам пор чаще всего используют значения среднего и максимального размеров пор. Однако эти размеры неполно характеризуют пористую структуру. Более полное представление о структуре пористой среды дает распределение пор по размерам в виде зависимости числа пор от размера пор [1].

Для исследования распределения пор по размерам был использован экспериментальный метод -метод исследования шлифов или их микрофотографий (статистический), как прямой метод исследования. В качестве объекта исследования использовались пластинчатые и цилиндрические конструкции из материала МР с пористостью порядка 55...85 %. За размер поры было принято расстояние между контурами элементов твердого скелета порового пространства. Расстояние между частицами контура скелета рассматривалось как случайная величина, равная длине С отрезка прямой между двумя точками, расположенными на поверхности твердой фазы. Отрезок мог иметь с твердой фазой только две общие точки [2].

Плотность распределения К<СС) позволяет установить связь между значениями размера С и соответствующими им вероятностями. Определить функцию К<Л) с большой степенью точности возможно при увеличении общего числа измерений. При этом необходимо, чтобы измерения носили случайный характер, а возможность повторных замеров была исключена. Количество таких измерений по данным работы [2] должно быть не менее 400.

Изучение распределения пор по размерам статистическим методом включает в себя следующие операции: выбор плоскости среза; подготовка шлифа для микроанализа; определение исходных статистических данных объекта и расчет определяемых параметров; оценка достоверности результата.

Исследование поверхности шлифа осуществлялась методом его плоскопараллельного перемещения относительно окуляра. Измерение расстояния С

проводилось между случайными точками на контурах скелета вдоль прямых, параллельных выбранным направлениям. Обработка результатов измерений проводилась по методике, изложенной в работе [2]. По результатам обработки были подсчитаны среднее расстояние Сс и дисперсия Бс.

Среднее расстояние Сс в конструкциях из материала МР с относительной толщиной 5/Д > 1 (где 5 - минимальный размер конструкции; Д. - диаметр спирали) по данным структурных исследований, может быть определено выражением, полученным в работе [3] в виде

Сс = С Г =

П • ёп 1 - П

где СГ - гидравлический диаметр пористой среды; Сп - диаметр проволоки.

Среднее расстояние Сс для изделий из материала МР при относительной толщине стенки 5/Дс > 1 хорошо согласуется со значениями гидравлического диаметра, полученного с учетом площади поверхности конструкции в виде

Сс = СГ = ^^ - П. с 1 1 Сп 1+—-25

Для исследованных образцов были построены гистограммы. По их виду был сделан вывод о том, что распределение пор по размерам имеет несимметричный характер изменения.

Вид функции распределения пор по размерам был принят, исходя из геометрических представлений. Опытные данные были смоделированы гамма-распределением. Аналитическая функция плотности распределения пор по его размерам имеет вид

I (С) =

рс

Г

-С а-1 • б"

а-р

(1)

(а)