Основные направления совершенствования двигательных установок с ЖРД

ГЛАВА 8.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖРД

В настоящей главе рассмотрены основные направления, по которым ведутся работы по повышению эффективности ДУ с ЖРД носителей (одноразовых РН и многоразовых транспортных КК) и космических ЛА (ИСЗ, КА и др.).

Новые жидкие ракетные топлива и новые области их применения.

Эффективность ДУ с ЖРД возрастает с увеличением удельного импульса двигателей и плотности жидкого ракетного топлива, причем в последнее время предъявляются все большие требования к экологической чистоте как самих компонентов, так и их продуктов сгорания. В настоящее время жидкий кислород и жидкий водород являются наилучшим экологически чистым высокоэффективным жидким ракетным топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего70 кг/м3) существенно ограничивает возможность. Например, топливо (О2)ж+(Н2)ж намечено применять на разрабатываемой в настоящее время японской РН Н-2.

Однако наилучшим для ДУ первой ступени РН и МТКК является топливо, состоящее из жидкого кислорода (О2)ж и углеводородного горючего (УВГ). Такое топливо применяли в американской РН «Сатурн-5» (cУВГ rp-1 типа керосина) и до настоящего времени применяют на всех трех ступенях РН «Союз» (ее первые две ступени аналогичны РН «Восток»). В ЖРД  первой ступени РН «Энергия» также применено кислородно-углеводородное топливо.

До сих пор в качестве углеводородного горючего чаще всего используют керосин (в США керосин марки PR-1). Однако керосину свойственен ряд недостатков: при прохождении по охлаждающему тракту он образует углеродистые отложения, что может привести к перегреву и прогару стенки камеры: в продуктах сгорания (особенно в восстановительных газогенераторах ЖРД с дожиганием) содержится повышенное количество свободного углерода (сажи), осаждение которого на элементах газового тракта снижает надежность двигателя.

В США рассматривают применение в качестве УВГ метана СН4, пропана С3Н8 и сжиженного природного газа. Недостатком применения сжиженных газов является уменьшение плотности топлива.

При использовании топлива О2+СН4 можно создать ЖРД с более высоким давлением рk для камер с регенеративным охлаждением горючим.

Наряду с вариантами двухступенчатых МТКК («Спейс шаттл» и др.) за рубежом рассматривается эффективность использования одноступенчатых МТКК. Использование топлива О2+С3Н8 в ДУ таких кораблей дает некоторое снижение сухой ДУ по сравнению с топливом О2+RP=1.

Применение метана и пропана для регенеративного охлаждения камер кислородно-углеводородных ЖРД с дожиганием и с высоким давлением в камерах позволяет поднять указанное давление для ЖРД на топливе О2+СН4 выше 27,5 МПа,а для топлива О2+С3Н8 – до 23,5 МПа.

Возможно создание высокоэффективных ЖРД и на топливах О2+RP-1 и О2 + RJ-5, если для охлаждения камеры применять жидкий кислород. Регенеративное охлаждение камеры ЖРД жидким кислородом впервые за рубежом было осуществлено фирмой «Мессершмидт Бельков» (ФРГ). Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в США, показали, что максимальное давление в кислородно-углеводородных ЖРД с регенеративным охлаждение жидким кислородом может достигать 27,5 МПа.

Синтетическое углеводородное горючее RJ-5 имеет плотность 1001 кг/м3, т.е. существенно выше, чем у керосина. Однако для синтетических горючих характерна повышенная стоимость.

Разработке углеводородных горючих повышенной плотности, в частности из отходов и побочных продуктов нефтехимического производства, уделяют большое внимание: эффективно применение таких горючих с плотностью, близкой к 1000 кг/м3, обеспечивающих с жидким кислородом такое же (или несколько большее) значение удельного импульса, как и для топлива        О2+ керосин.

Для увеличения полезного груза космических ракетных ЛА эффективно применение переохлажденных компонентов топлива, с этой целью можно использовать:

смесь переохлажденного жидкого и твердого водорода, а также смесь переохлажденного жидкого и твердого кислорода в виде шуги с размером частиц твердой фазы примерно 3 мкм, наиболее вероятным считают применение шугообразного водорода со средней плотностью, соответствующей содержанию твердой фазы 50%; плотность такого водорода составляет 81,4 кг/м3, т.е. на 15% выше, чем у жидкого водорода. Применение таких компонентов топлива позволяет увеличить длительность хранения в баках КА (другие направления повышения эффективности ДУ КА рассмотрены ниже), уменьшить массу их теплоизоляции, реже производить или вообще исключить дренаж баков из-за испарения компонента, уменьшить размеры баков и давление в них;

кислород и водород в состоянии, соответствующей их точке; если температура кипения при нормальном давлении для кислорода и водорода равна 90,2 и 20,3 К, то в тройной точке она равна 54,3 и 13,8 К соответственно, при этом плотность кислорода  возрастает с 1141 до 1306 кг/м3 (на 14%), а плотность водорода-с 71,1 до 76,9 кг/м3 (на 18 %).

Однако при использования шугообразных компонентов топлива компонентов в тройной точек должен быть решен  целый ряд проблем, в том числе проблемы производства таких компонентов в больших количествах, а  также проблемы и хранения и транспортировки к РН или МТКК на стартовой позиции.