Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое криогенный ракетный двигатель

Криогенное ракетное топливо

Криогенное ракетное топливо — низкокипящее [комм. 1] жидкое ракетное топливо, хотя бы один из компонентов (окислитель, горючее) которого является криогенным, то есть находится при температуре ниже 120К (-153,15°C) [2] . К криогенным компонентам топлива относятся сжиженные газы: кислород, водород, фтор и другие. Противоположностью криогенным являются высококипящие компоненты, то есть такие, которые могут использоваться при температуре выше 298К (24,85 °C) [1] .

Криогенный двигатель, работающий за счет тепла из окружающей среды

В настоящее время целая армия грузовиков-рефрижераторов перевозят по дорогам во всем мире тонны замороженных продуктов, свежих овощей и других скоропортящихся товаров. И такие грузовики, как правило, потребляют на 25 процентов больше топлива, чем обычные грузовые автомобили соответствующей грузоподъемности.

На некоторых грузовиках-рефрижераторах установлены компрессоры, приводимые в действие отдельными небольшими двигателями внутреннего сгорания, компрессоры других грузовиков вращаются электродвигателями, которые черпают энергию из бортовой сети автомобиля. Но в обоих случаях результат один и тот же – тонны сожженного дополнительно топлива и тонны вредных выбросов в окружающую среду.

Известный изобретатель Питер Дэрман (Peter Dearman) в рамках конкурса Invention Awards 2014 представил одно из возможных решений вышеописанной проблемы. Согласно его мнению выходом из сложившейся ситуации может стать разработанный им криогенный двигатель, который за счет тепла перевозимых товаров и тепла из окружающей среды заставляет кипеть жидкий азот, хранящийся в специальной емкости. Получающийся при этом газ используется для приведения в действие так называемого двигателя Дэрмана, который вращает компрессор и приводит в действие некоторые другие устройства.

Принцип работы криогенной рефрижераторной установки заключается в следующем:

Специальная емкость закачивается жидким азотом, температура которого составляет –160 градусов по шкале Цельсия. Стоимость закачиваемого в резервуар жидкого азота составляет чуть более 60 процентов стоимости дополнительного дизельного топлива, которое может быть потрачено обычным рефрижератором на охлаждение груза за восемь часов работы.

Тепло окружающей среды заставляет кипеть жидкий азот, превращая его в очень холодный газ. Этот холодный газ проходит через специальный теплообменник, что позволяет удовлетворить около двух третей от общего количества холода, требующегося для охлаждения груза.

После теплообменника нагретый азот под давлением подается в двигатель Дэрмана, который вращает компрессор, вентиляторы системы принудительного охлаждения и дополнительный электрогенератор.

Компрессор сжимает азот до высокого давления, снова охлаждает его путем дросселирования и подает его на второй теплообменник, который обеспечивает оставшуюся третью часть от количества холода, необходимого для охлаждения груза.

Оценивается, что такая система будет эффективно использовать около 40 процентов энергии, заключенной в жидком азоте, что сопоставимо с эффективностью работы дизельного двигателя. Но в отличие от последнего криогенная система использует жидкий азот, который дешевле дизельного топлива и не выбрасывает в окружающую среду ничего, кроме холодного азота, которого и так содержится в воздухе около 70 процентов.

Полностью функционирующий опытный образец криогенного рефрижератора системы Питера Дэрмана выйдет для испытаний на дороги Великобритании в июле месяце этого года.

И если эти испытания пройдут успешно, то в скором будущем на дорогах могут появиться более экологически чистые грузовики, перевозящие замороженные грузы.

Компоненты и циклы сгорания

Основными компонентами криогенного ракетного двигателя являются камера сгорания, пиротехнический инициатор, топливная форсунка, топливо и окислитель турбонасосы, криоклапаны, регуляторы, топливные баки и сопло ракетного двигателя. Что касается подачи топлива в камеру сгорания, криогенные ракетные двигатели почти исключительно накачанный. Двигатели с насосным питанием работают в газогенераторный цикл, а ступенчатый цикл горения, или цикл экспандера. Газогенераторные двигатели, как правило, используются на бустерных двигателях из-за их более низкой эффективности, двигатели с ступенчатым внутренним сгоранием могут выполнять обе роли за счет большей сложности, а детандерные двигатели используются исключительно на верхних ступенях из-за их низкой тяги. [ нужна цитата ]

Читать еще:  Двигатель g20a как снять поддон

Криогенные топлива

Ракетным двигателям необходим большой массовый расход окислителя и топлива для создания полезной тяги. Кислород, самый простой и наиболее распространенный окислитель, находится в газовой фазе при стандартной температуре и давлении , как и водород, простейшее топливо. Хотя можно хранить топливо в виде сжатого газа, для этого потребуются большие и тяжелые баки, которые сделают орбитальный космический полет трудным, если не невозможным. С другой стороны, если пропеллент охлаждают в достаточной степени, что они существуют в жидкой фазе при более высокой плотности и более низкого давлении, что упрощает боинский. Эти криогенные температуры варьируются в зависимости от топлива, при этом жидкий кислород существует ниже -183 ° C (-297,4 ° F; 90,1 K), а жидкий водород ниже -253 ° C (-423,4 ° F; 20,1 K). Поскольку одно или несколько топлив находится в жидкой фазе, все криогенные ракетные двигатели по определению являются либо жидкостными ракетными двигателями, либо гибридными ракетными двигателями . [2]

Были опробованы различные комбинации криогенного топлива и окислителя, но комбинация жидкого водородного топлива ( LH2 ) и окислителя жидкого кислорода ( LOX ) является одной из наиболее широко используемых. [1] [3] Оба компонента легко и дешево доступен, и при горении имеет один из самых высоких энтальпии выпусков в горении , [4] производя удельный импульс до 450 с при эффективной скорости истечения 4,4 километров в секунду ( 2,7 миль / с).

Как достигается криогенная температура?

Для достижения температуры замерзания необходимы сложные технологии. В большинстве случаев для генерации криогенных температур используются 4 различных метода:

1. Тепловая проводимость

Тепловая проводимость является, пожалуй, наиболее знакомым методом. При контакте двух продуктов или материалов тепло передается от самого горячего продукта к самому холодному. Этот же принцип применим и к криогенным температурам. Крайний холод передается путем контакта газа, жидкости или твердого вещества с криогенной жидкостью. В результате этого газ, жидкий или твердый, также достигает желаемой криогенной температуры.

2. Испарительное охлаждение

Атомы или молекулы имеют меньше энергии в жидкой форме, чем в газообразной. Во время испарения жидкого продукта атомы или молекулы, находящиеся на поверхности, получают из окружающей жидкости достаточную энергию, чтобы перейти в газообразное состояние. Оставшаяся же жидкость, напротив, удерживает меньше энергии, что делает ее холоднее. Таким образом, вызывая процесс испарения, можно добиться охлаждения жидкости.

3. Охлаждение за счет быстрого расширения

Третий метод — использование эффекта Джоуль-Томпсона. Это включает в себя охлаждение газов путем резкого увеличения объема или одинаково быстрого перепада давления. Этот метод широко используется при сжижении водорода и гелия.

4. Адиабатическое размагничивание

Четвертый и последний метод в основном используется для охлаждения жидкого гелия и включает в себя парамагнитные соли для поглощения тепла. Парамагнитную соль можно рассматривать как огромное количество маленьких магнитов, которые при размещении на сильном магнитном поле и обработке электромагнитом генерируют или используют энергию. Поглощая энергию с этими материалами из газа, газ становится холоднее и холоднее.

Люди, научившие не бояться водорода

Руководство страны высоко оценило достижение специалистов ОКБ А.Н. Туполева и смежных предприятий авиационной отрасли, участвующих в разработке Ту-155. Лауреатами премии Правительства Российской Федерации стали 15 участников работ, многие другие специалисты за участие в этой непростой работе удостоены высоких званий и правительственных наград.

Читать еще:  В каких двигателях есть щетки

Неоценимый вклад в создание и развитие отечественной авиации на криогенном топливе внесло огромное количество специалистов разного уровня. Куратором проекта в Министерстве авиационной промышленности был Леонид Михайлович Шкадов – замминистра авиапромышленности. Алексей Андреевич Туполев выступил инициатором проекта и его дальнейшего развития. В создании Ту-155 также принял участие великий инженер, академик Кузнецов Николай Дмитриеви ч .

Душой Ту-155, его руководителем в ОКБ А.Н. Туполева был Владимир Александрович Андреев. За силовую установку отвечал Валентин Всеволодович Малышев, внесший огромный вклад в успех благодаря глубоким знаниям и неуемной энергии. Под руководством будущего гендиректора предприятия «Туполев» Валентина Тихоновича Климова была разработана уникальная программа обеспечения безопасности, позволившая провести все работы без серьезных происшествий. Вячеслав Дмитриевич Борисов руководил созданием наземного комплекса и испытательных стендов на летной базе в Жуковском. Валерий Иванович Солозобов отвечал за производство, подготовку летных испытаний в КБ и разработку конструкции водородного бака, который был изготовлен под руководством Рудольфа Зашляпина на криогенном производстве Уралвагонзавода.


Владимир Александрович Андреев, руководитель проекта Ту-155 в ОКБ А.Н. Туполева

Также в работе активно участвовал высококвалифицированный состав ученых и инженеров Минобороны РФ, к примеру специальные испытания Ту-155 проводились на базе аэродрома Чкаловский. Также нельзя не сказать о вкладе выдающихся академиков Николая Павловича Лаверова, Анатолия Петровича Александрова, Валерия Алексеевича Легасова, ученых из Дубны Александра Григорьевича Зельдовича и Леонида Голованова, научивших не бояться водорода, а навсегда полюбить эту фантастическую жидкость. Кстати, система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы.

В целом сформировалась замечательная команда из разных отечественных научных и производственных структур, создавшая самолет, который, как отмечают многие эксперты отрасли, сильно опередил свое время. К сожалению, уровень технологий того времени не позволил полноценно продолжить работу над данным проектом, но этот Ту-155 стал наглядным доказательством самой возможности создания криогенной авиации.

Галерея Ариан 5

Ариан 5 (Ariane 5) — ракета-носитель тяжелого класса, разработанная в начале 1990-хх. Производится концерном Airbus Defence and Space (входит в Airbus Group) и эксплуатируется Европейским космическим агентством (ESA). Ariane 5 — самый мощный носитель семейства Ariane (и единственный эксплуатирующийся на 2017 год).

История

Работы по созданию новой ракеты-носителя тяжелго класса начались в 1987 году. Ариан 5 планировалась, как самая мощная ракета в семействе и замена тогдашнего главного носителя ESA — РН Ariane 4.

На реализацию программы ушло 10 лет и порядка $7 млрд. В программу так же входило создание пилотируемой версии с многоразовым кораблем Гермес, однако, данный проект реализован не был.

Первый запуск Ариан 5 был осуществлен в 1996 году и оказался неудачным. Второй пуск оказался более успешным, но с рядом оговорок. Полностью успешные запуски начались лишь с третьей попытки.

Конструкция

Ariane 5 — двухступенчатая ракета-носителья тяжелого класса.

Первая ступень состоит из большого криогенного ракетного модуля и двух пристыкованных по бокам твердотопливных ускорителей.

Твердотопливные ускорители Ариан 5 называются EAP (фр. étages d’accélération à poudre — твердотельные ускорители) или Модель P230. Крепятся к криогенному ракетному модулю с двух сторон. Ускорители идентичны, имеют высоту 31 метр, диаметр 3 метра и несут 237 тонн топлива. Твердотопливные ускорители создают суммарную тягу в 1444 тс., что составляет 92% всей тяги первой ступени.

Ускорители действуют в течение 140 секунд и отделяются от криогенного модуля первой ступени на высоте около 70 км. После отделения они падают в Алтантический океан. ESA проводило исследовательские работы по возможности спасения ускорителей для их повторного использования (как это делало NASA с ускорителями Space Shuttle), но повторное применение ускорителей на Ариан 5 не практиковалось.

Читать еще:  Что такое выработка двигателя

Криогенный ракетный модуль Ариан 5 имеет название EPC (фр. Étage Principal Cryotechnique — главная криогенная ступень). Модуль имеет высоту 30,5 метров и диаметр 5,5 метров. Содержит 158,5 тонн топлива в двух баках: жидкий водород (26 тонн) и жидкий кислород (132,5 тонны).

Силовая установка модуля — криогенный ракетный двигатель Vulcain II, развивающий тягу до 133 тс. Двигатель запускается при запуске ракеты и действует в течение 605 секунд до вывода РН в космос.

Вторая ступень ракеты Ариан 5 расположена над криогенным ракетным модулем. Вторая ступень, фактически, является разгонным блоком ракеты, который выводит полезную нагрузку на заданные координаты в космосе. Двигатель разгонного блока имеет возможность многократного запуска.

Базовая версия второй ступени EPS (фр. Étage à Propergols Stockables) имеет высоту 3,36 метра и содержит 9,7 тонн топлива (несимметричный диметилгидразин и тетраоксид азота). Силовая установка — ЖРД Aestus (Daimler-Benz Aerospace) создает 2,95 тс тяги в течение 1100 секунд (18 минут 30 секунд).

Для крайних модификаций ракеты создан новый блок ESC (фр. Étage Supérieur Cryotechnique). Новый блок имеет криогенную силовую установку на базе двигателя HM-7B. Двигатель создает тягу в 6,6 тс. в течение 970 секунд (16 минут 10 секунд). Блок имеет длину 4,71 метра и несет 15 тонн топлива (жидкий кислород, жидкий водород).

Описание: запуск ракеты-носителя Ариан 5 с группой спутников Galileo

Модификации

Ariane 5G (Generic) — базовая версия ракеты со стартовой массой в 737 тонн. Масса полезной нагрузки при заброске на ГПО достигала 6,2 тонн. Эксплуатация завершена в 2003 году.

Ariane 5G+ оснащается второй ступенью с увеличенной тягой. Выводит на ГПО 6,95 тонн полезной нагрузки. Эксплуатация завершена в 2004 году.

Ariane 5GS пришла на замену 5G+. Получил модернизированный двигатель первой ступени Vulcain IB. Выводит на ГПО до 6,1 тонны.

Ariane ECA ( Evolution Cryotechnique type A) способен вывести на ГПО полезную нагрузку массой до 10,7 тонн. Оснащается двигателем Vulcain II на первой ступени и криогенным разгонным блоком ESC-A.

Ariane ES-ATV (Evolution Storable) используется для запуска беспилотных транспортных кораблей ESA ATV. Применяется для доставки грузов на МКС. Запуски начались в 2008 году.

Эксплуатация

Первый испытательный полёт Ариан 5 состоялся 4 июня 1996 года и был неудачным. Ракета-носитель была подорвана на 34 секунде полёта по причине неисправности в управляющем программном обеспечении, которая считается самой дорогостоящей компьютерной ошибкой в истории.

Второй испытательный полёт, 30 октября 1997 года был частичной неудачей по причине проблем с управляемостью сопла двигателя первой ступени Вулкан. Вторая ступень отработала успешно, но не смогла достичь планируемой орбиты. Следующий полёт 21 октября 1998 года был успешным, и первый коммерческий запуск был произведён 10 декабря 1999 года — была выведена на орбиту рентгеновская обсерватория XMM-Newton.

В общей сложности, на начало 2017 года был произведен 91 запус ракеты-носителя Ариан 5 из которых 87 — успешные.

Использование разных вариантов контейнеров полезной нагрузки позволяет одновременный запуск двух-трёх спутников и размещение до восьми микроспутников. Ракета-носитель используется для снабжения Международной космической станции (МКС) с помощью автоматических грузовых кораблей ATV.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector