Двигательные установки на перекиси водорода для небольших спутников. Двигательные установки на перекиси водорода для небольших спутников Удар из глубины

ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА H 2 O 2 - простейший представитель перекисей; высококипяший окислитель или однокомпонентное ракетное топливо , а также источник парогаза для привода ТНА. Используется в виде водного раствора высокой (до 99%) концентрации. Прозрачная жидкость без цвета и запаха с «металлическим» привкусом. Плотность 1448 кг/м 3 (при 20°С), t пл ~ 0°С, t кип ~ 150°С. Слабо токсична, при попадании на кожу вызывает ожоги, с некоторыми органическими веществами образует взрывчатые смеси. Чистые растворы достаточно стабильны (скорость разложения обычно не превышает 0,6% в год); в присутствии следов ряда тяжёлых металлов (например, медь, железо, марганец, серебро) и других примесей разложение ускоряется и может переходить во взрыв; для повышения устойчивости при длительном хранении в перекись водорода вводят стабилизаторы (соединения фосфора и олова). Под воздействием катализаторов (например, продуктов коррозии железа) разложение перекиси водорода на кислород и воду идёт с выделением энергии, при этом температура продуктов реакции (парогаза) зависит от концентрации перекиси водорода : 560°С при 80%-ной концентрации и 1000°С при 99%-ной. Лучше всего совместима с нержавеющими сталями и чистым алюминием. В промышленности получают гидролизом надсерной кислоты H 2 S 2 O 8 , образующейся при электролизе серной кислоты H 2 SO 4 . Концентрированная перекись водорода нашла широкое применение в ракетной технике. Перекись водорода является источником парогаза для привода ТНА в ЖРД ряда ракет (Фау-2, «Редстоун», «Викинг», «Восток» и др.), окислителем ракетного топлива в ракетах («Блэк эрроу» и др.) и самолётах (Ме-163, Х-1, Х-15 и др.), однокомпонентным топливом в двигателях космических аппаратов («Союз», «Союз Т» и др.). Перспективно её применение в паре с углеводородами, пентабораном и гидридом бериллия.

Перекись водорода H2O2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м3, что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2, а затем на её «потомках», вплоть до Р-7. Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

действие сильного катализатора. Одна десятитысячная часть цианистого калия почти полностью уничтожает каталитическое действие платины. Резко замедляют разложение перекиси и другие вещества: сероуглерод, стрихнин, фосфорная кислота, фосфат натрия, йод.

Многие свойства перекиси водорода изучены детально, но есть и такие, которые до сих пор остаются загадкой. Раскрытие ее секретов имело и непосредственное практическое значение. Прежде чем широко применять перекись, нужно было решить старый спор: что же такое перекись - взрывчатое вещество, готовое взорваться от малейшего толчка, или безобидная жидкость, не требующая предосторожностей в обращении?

Химически чистая перекись водорода весьма устойчивое вещество. Но при загрязнении она начинает бурно разлагаться. И химики сказали инженерам: вы можете перевозить эту жидкость на какие угодно расстояния, нужно только одно, чтобы она была чистой. Но ведь она может загрязниться в дороге или при хранении, что же делать тогда? Химики ответили на этот вопрос: добавьте в нее небольшое количество стабилизаторов, катализаторных ядов.

Однажды, в годы второй мировой войны, произошел такой случай. На железнодорожной станции стояла цистерна с перекисью водорода. От неизвестных причин температура жидкости начала подниматься, а это значило, что уже началась цепная реакция и грозит взрыв. Цистерну поливали холодной водой, а температура перекиси водорода упорно поднималась. Тогда в цистерну влили несколько литров слабого водного раствора фосфорной кислоты. И температура быстро упала. Взрыв был предотвращен.

Засекреченное вещество

Кто не видел окрашенные в синий цвет стальные баллоны, в которых перевозят кислород? Но мало кто знает, насколько невыгодна такая перевозка. В баллоне помещается немногим больше восьми килограммов кислорода (6 кубических метров), а весит один только баллон свыше семидесяти килограммов. Таким образом, приходится перевозить около 90 /о бесполезного груза.

Намного выгоднее перевозить жидкий кислород. Дело в том, что в баллоне кислород хранится под высоким давлением-150 атмосфер, поэтому стенки его делают довольно прочными, толстыми. У сосудов для транспортировки жидкого кислорода стенки тоньше, и весят они меньше. Но при перевозке жидкого кислорода он непрерывно испаряется. В небольших сосудах за сутки улетучивается 10 - 15% кислорода.

Перекись водорода соединяет преимущества сжатого и жидкого кислорода. Почти половина веса перекиси - это кислород. Потери перекиси при правильном хранении незначительны-1% за год. Есть у перекиси и еще одно преимущество. Сжатый кислород приходится нагнетать в баллоны при помощи мощных компрессоров. Перекись водорода легко и просто заливается в сосуды.

Но кислород, полученный из перекиси, намного дороже сжатого или жидкого кислорода. Применение перекиси водорода оправдано только там, где сообра

жения экономичности отступают на второй план, где главное - компактность и малый вес. Прежде всего это относится к реактивной авиации.

В годы второй мировой войны название «перекись водорода» исчезло из лексикона воюющих государств. В официальных документах это вещество стали называть: инголин, компонент Т, ренал, аурол, гепрол, субсидол, тимол, оксилин, нейтралин. И только немногие знали, что

все это псевдонимы перекиси водорода, ее засекреченные наименования.

Что же заставило засекретить перекись водорода?

Дело в том, что ее стали использовать в жидких реактивных двигателях - ЖРД. Кислород для этих двигателей запасается в сжиженном виде или в виде химических соединений. Благодаря этому в камеру сгорания оказывается возможным подать за единицу времени очень большое количество кислорода. А это значит, что можно увеличить и мощность двигателя.

Первые боевые самолеты с жидкостными реактивными двигателями появились в 1944 году. В качестве топлива использовался древесный спирт в смеси с гидратом гидразина, в качестве окислителя - 80-процентная перекись водорода.

Перекись нашла применение и в реактивных снарядах дальнего действия, которыми немцы обстреливали Лондон осенью 1944 года. Двигатели этих снарядов работали на этиловом спирте и жидком кислороде. Но в снаряде был еще и вспомогательный двигатель, приводивший в движение топливные и окислительные насосы. Этот двигатель - маленькая турбинка - работал на перекиси водорода, точнее-на парогазовой смеси, образующейся при разложении перекиси. Мощность его составляла 500 л. с. - это больше, чем мощность 6 тракторных двигателей.

Перекись работает на человека

Но по-настоящему широкое применение перекись водорода нашла в послевоенные годы. Трудно назвать такую отрасль техники, где не применялась бы перекись водорода или ее производные: перекись натрия, калия, бария (см. 3-ю стр. обложки этого номера журнала).

Химики используют перекись в качестве катализатора при получении многих пластмасс.

Строители при помощи перекиси водорода получают пористый бетон, так называемый газобетон. Для этого в бетонную массу добавляют перекись. Образующийся при ее разложении кислород пронизывает бетон, и получаются пузырьки. Кубический метр такого бетона весит около 500 кг, то есть вдвое легче воды. Пористый бетон - прекрасный изоляционный материал.

В кондитерской промышленности перекись водорода выполняем те же функции. Только вместо бетонной массы она вспучивает тесто, отлично заменяя соду.

В медицине перекись водорода давно использовалась в качестве дезинфицирующего средства. Даже в зубной пасте, которой вы пользуетесь, есть перекись: она обезвреживает полость рта от микробов. А совсем недавно ее производные - твердые перекиси - нашли новое применение: одна таблетка из этих веществ, например брошенная в ванну с водой, делает ее «кислородной».

В текстильной промышленности при помощи перекиси отбеливают ткани, в пищевой - жиры и масла, в бумажной - древесину и бумагу, в нефтеперерабатывающей добавляют перекись в дизельное топливо: она повышает качество горючего и т. д.

Твердые перекиси используются в водолазных скафандрах н изолирующих противогазах. Поглощая углекислый газ, перекиси выделяют кислород, необходимый для дыхания.

С каждым годом перекись водорода завоевывает все новые и новые области применения. Еще недавно считалось неэкономичным применять перекись водорода при сварке. Но ведь в ремонтной практике бывают и такие случаи, когда объем работы небольшой, а сломанная машина находится где-нибудь в отдаленной или труднодоступной местности. Тогда вместо громоздкого ацетиленового генератора сварщик берет маленький бензо-бачок, а вместо тяжелого кислородного баллона - портативный пе]рекисный прибор. Перекись водорода, залитая в этот прибор, автоматически подается в камеру с серебряной сеткой, разлагается, и выделившийся кислород идет на сварку. Вся установка размещается в небольшом чемодане. Это просто и удобно-

Новые открытия в химии действительно делаются в обстановке не очень торжественной. На дне пробирки, в окуляре микроскопа или в раскаленном тигле появляется маленький комочек, может быть, капля, может быть, крупинка нового вещества! И только химик способен разглядеть его чудесные свойства. Но именно в этом и состоит настоящая романтика химии - предсказывать будущее вновь открытому веществу!

Перекись водорода H 2 O 2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м 3 , что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м 3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2 , а затем на её «потомках», вплоть до Р-7 . Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

1 .. 42 > .. >> Следующая
Низкая температура застывания спирта позволяет использовать его в широком диапазоне температур окружающей среды.
Спирт производится в очень больших количествах и не является дефицитным горючим. На конструкционные материалы спирт не оказывает агрессивного воздействия. Это позволяет применять для спиртовых баков и магистралей сравнительно дешевые материалы.
Заменителем этилового спирта может служить метиловый спирт, дающий с кислородом топливо несколько худшего качества. Метиловый спирт смешивается с этиловым в любых пропорциях, что позволяет использовать его при недостатке этилового спирта и добавлять в некоторой доле в горючее. Топливо на основе жидкого кислорода применяется почти исключительно в ракетах дальнего действия, допускающих и даже, вследствие большого веса, требующих заправки ракеты компонентами на месте старта.
Перекись водорода
Перекись водорода H2O2 в чистом виде (т. е. 100%-ной концентрации) в технике не применяется, так как является чрезвычайно нестойким продуктом, способным к самопроизвольному разложению, легко переходящему во взрыв под влиянием всяких, казалось бы, незначительных внешних воздействий: удара, освещения, малейшего загрязнения органическими веществами и примесями некоторых металлов.
В ракетной технике"применяются более стойкие высококонцен-трпрованные (чаще всего 80"%-ной концентрации) растворы перекц си водорода в воде. Для повышения стойкости к перекиси водорода прибавляют небольшие количества веществ, препятствующих ее самопроизвольному разложению (например, фосфорной кислоты). Применение 80"%-ной перекиси водорода требует в настоящее время принятия лишь обычных мер предосторожности, необходимых при обращении с сильными окислителями. Перекись водорода такой концентрации является прозрачной, слегка голубоватой жидкостью с температурой замерзания -25° С.
Перекись водорода при разложении ее на кислород и водяные пары выделяет тепло. Это выделение тепла объясняется тем, что теплота образования перекиси составляет - 45,20 ккал/г-моль, в то
126
Гл. IV. Топлива ракетных двигателей
время как теплота образования воды равняется-68,35 ккал/г-моль. Таким образом, при разложении перекиси по формуле H2O2 = --H2O+V2O0 выделяется химическая энергия, равная разности 68,35-45,20=23,15 ккал/г-моль, или 680 ккал/кг.
Перекись водорода 80э/о-ной концентрации обладает способностью к разложению в присутствии катализаторов с выделением тепла в количестве 540 ккал/кг и с выделением свободного кислорода, который может быть использован для окисления горючего. Перекись водорода обладает значительным удельным весом (1,36 кг/л для 80%-ной концентрации). Использовать перекись водорода как охладитель нельзя, так как при нагревании она не закипает, а сразу разлагается.
В качестве материалов для баков и трубопроводов двигателей, работающих на перекиси, могут служить нержавеющая сталь и очень чистый (с содержанием примесей до 0,51%) алюминий. Совершенно недопустимо применение меди и других тяжелых металлов. Медь является сильным катализатором, способствующим разложению перекиои водорода. Для прокладок и уплотнений могут применяться некоторые виды пластмасс. Попадание концентрированной перекиси водорода на кожу вызывает тяжелые ожоги. Органические вещества при попадании на них перекиси водорода загораются.
Топлива на основе перекиси водорода
На основе перекиси водорода создано два типа топлив.
Топлива первого типа представляют собой топлива раздельной подачи, в которых кислород, выделяющийся при разложении перекиси водорода, используется для сжигания горючего. Примером может служить топливо, применявшееся в описанном выше (стр. 95) двигателе самолета-перехватчика. Оно состояло из перекиси водорода 80%-ной концентрации и смеси гидразингидрата (N2H4 H2O) с метиловым спиртом. При добавлении в горючее специального катализатора это топливо становится самовоспламеняющимся. Сравнительно низкая теплотворная способность (1020 ккал/кг), а также малый молекулярный вес продуктов сгорания определяют низкую температуру сгорания, что облегчает работу двигателя. Однако из-за малой теплотворной способности двигатель имеет низкую удельную тягу (190 кгсек/кг).
С водой и спиртом перекись водорода может образовывать относительно взрывобезопасные тройные смеси, которые являются примером однокомпонентного топлива. Теплотворная способность таких взрывобезопасных смесей относительно невелика: 800-900 ккал/кг. Поэтому в качестве основного топлива для ЖРД они едва ли будут применяться. Такие смеси могут использоваться в парогазогене-раторах.
2. Современные топлива ракетных двигателей
127
Реакция разложения концентрированной перекиси, как уже говорилось, широко используется в ракетной технике для получения парогаза, являющегося рабочим телом турбины при насосной подаче.
Известны также двигатели, в которых тепло разложения перекиси служило для создания силы тяги. Удельная тяга таких двигателей низкая (90-100 кгсек/кг).
Для разложения перекиси используют два типа катализаторов: жидкий (раствор перманганата калия KMnO4) или твердый. Применение последнего является более предпочтительным, так как делает излишней систему подачи жидкого катализатора в реактор.