Метан, пропан, бутан, оливковое масло...

[Salo]

http://engine.aviaport.ru/issues/59/page11.html

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

ЦИАМ им. П.И. Баранова: Леонид Самойлович Яновский,
начальник отдела, д.т.н., профессор
Российский государственный университет инновационных
технологий и предпринимательства:
Александр Александрович Харин, ректор, заведующий кафедрой
"Управление инновациями", д.т.н., профессор
Едыль Лухванович Киришев, аспирант кафедры "Управление инновациями"

Рассмотрена проблема применения криогенных углеводородных топлив в авиационно-космических системах. Показано, что применение в качестве компонента топлива переохлажденного пропана позволяет улучшить летно-технические характеристики летательного аппарата по сравнению с аппаратом, использующим жидкий водород в качестве компонента топлива.

В настоящее время общепризнанно, что дальнейшее усовершенствование технико-экономических характеристик систем выведения полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли связано с созданием авиационно-космических систем (АКС) с горизонтальным стартом и посадкой.

Ключевым элементом, определяющим возможность использования АКС для выведения полезной нагрузки на околоземную орбиту, является несущий летательный аппарат (ЛА), который должен обеспечить разгон АКС в период ее нахождения в пределах земной атмосферы до скоростей, соответствующих числам М = 7...10 на высотах порядка 20...50 км.

Среди всех видов топлива наилучшими энергетическими характеристиками и наибольшим хладоресурсом обладает жидкий водород, однако можно дополнительно увеличить хладоресурс криогенного углеводородного топлива, перейдя к использованию эндотермических реакций, связанных с разложением исходного топлива на более простые химические соединения под воздействием тепла из внешнего источника. Исследования, проводившиеся ранее, показали целесообразность применения жидких углеводородных топлив, способных обеспечить дополнительный охлаждающий эффект. Типичным представителем этого класса топлив является американское топливо Norpar-12.

Существуют природные углеводороды, при нормальных условиях являющиеся газами, которые при нагревании способны к эндотермическим реакциям. К ним относятся этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) и пентан (С5Н12). При повышенном давлении они легко конденсируются в жидкости. Благодаря этому их можно хранить в герметичном сосуде в жидком виде при температуре внешней среды. Из-за низкого молекулярного веса легкие углеводороды для разложения требуют больше тепла, чем топливо типа Norpar-12. Метан, который часто рассматривается как заменитель водорода, не способен к эндотермическим реакциям, т.к. является простейшим углеводородом.

Увеличению хладоресурса углеводородного топлива, состоящего из легких углеводородов, способствует их отличительная особенность - возможность существования в жидком виде в широком диапазоне температур. При давлении 0,1 МПа этан становится жидким при температуре минус 88°С, а замерзает при -183 °С. Пропан при том же давлении переходит в жидкую фазу при температуре минус 42°С, а замерзает при минус 188°С.

Уменьшение температуры углеводородной жидкости в интервале между температурами плавления и кипения сопровождается существенным увеличением ее плотности. Если перед заправкой в ЛА этан или пропан подвергнуть охлаждению до температуры -180 °С, то плотность жидкого топлива возрастает до 670...750 кг/м3, т.е. становится всего на 5...10% меньше плотности авиационного керосина при нормальных условиях. Следует отметить, что ни водород, ни метан таким свойством не обладают. В результате суммарный относительный хладоресурс пропана, взятый относительно его теплотворной способности при температуре хранения в баке минус 180°С, оказывается близким к хладоресурсу жидкого водорода и в 1,7 раза превосходит суммарный хладоресурс метана. Масса пропана, которая может поместиться в топливном баке одной и той же емкости, в 1,4 раза превосходит массу метана и в 12 раз - массу водорода. Температурный диапазон, при котором это топливо находится в жидком состоянии, позволяет использовать доступный и дешевый азот в качестве рабочего газа, заполняющего топливную систему.

Сравнительные расчеты летно-технических характеристик масштабной модели высокоскоростного ЛА в случае использования в качестве топлива переохлажденного пропана и жидкого водорода показали, что применение криогенного пропана при прочих равных условиях позволяет в два раза уменьшить габаритные размеры ЛА и, соответственно, почти на порядок сократить его стоимость.

Разумеется, эндотермические реакции в легких углеводородных газах протекают при более высоких температурах, чем в жидких углеводородных эндотермических топливах. Поэтому двигатели ЛА, использующие криогенное углеводородное топливо, должны иметь охлаждаемые огневые стенки из более стойких материалов. Согласно имеющимся оценкам, для реализации эндотермического хладоресурса пропана необходима температура огневой стенки на уровне 1100°С. В настоящее время успешно разработаны и испытаны образцы новых конструкционных материалов, которые позволяют решить эту проблему.

Резюмируя, отметим, что применение новых материалов в сочетании с криогенным углеводородным топливом типа пропана или этана открывает реальную перспективу достижения скоростей полета до М = 10 включительно, используя конструкцию ЛА, которая по своим летно-техническим характеристикам практически эквивалентна ЛА на жидком водороде, но при этом имеет в существенно меньшие размеры и стоимость.

[Salo]

А какой УИ у пары пропан/ЖК?

[Дмитрий В.]

А какой УИ у пары пропан/ЖК?

По идее, что-то среднее между "керосин-ЖК" и "метан-ЖК"

[fagot]

Пожалуй, ближе к керосину.

[Salo]

Это понятно! Но насколько хуже метана? Хоть какой то выигрыш остаётся?

[fagot]

Думаю, на 3-5 секунд лучше керосина.

[Salo]

Мне всё вот такой пепелац покоя не даёт:
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/rb2.pdf

[fagot]

ПН метанника на уровне водородника? Наверно мухлюют чего-то.

[Salo]

А безгазогенераторная схема на пропане возможна?

[Salo]

Км метанника по-моему 3,5. Значит кислорода будет 1,75тХ3,5=6,125т.
РЗТ 6,125т+1,75т=7,875т. Сухая масса 8,5т-7,875т=0,625т.
В полотора раза меньше чем у Врегата.
УИ при таком удлинении сопла видимо реальнодостижимый.
Весь выигрыш за счёт малой конечной массы? Совмещённые днища и криоупрочнение?

[MGouchkov]

Пожалуй, ближе к керосину.

На основе пропана может делаеться композиция с ацетиленом. Температура земетно больше чем только пропана, те и УИ должен быть заметно выше. Имхо-  единственное нетоксичное топливо, в принципе могущее быть интересным. Вот только чем лучше метана, а в некоторых случаях для верхних ступеней- водорода,- непомятно. Зато понятно что по сравнению с метаном- прощай идея ненапряжного высокоресурсного ЖРД с восстановительным ГГ.

[Salo]

А кстати у ацетилена УИ выше чем у метана. :roll:

А такой вопрос с ненапряжённым ЖРД открытой схемы на метане: давление у него 140-160 атм. :shock:
Что-то я таких ЖРД открытой схемы не знаю. У водородного RS-68  давление меньше 100 атм.

[Salo]

Не, просто интересно, какой УИ?

Секунд на 7 ниже керосинового и плотность ниже, поэтому увеличивать УИ путем добавки пропана или бутана смысла нет, тут мы получим только бесполезное усложнение. Зато для чистого аммиака температура в КС значительно ниже, чем у керосина, что облегчает охлаждение.

Насчёт усложнения - не уверен, можно и в один бак замешать
А сопло может быть и вообще охлаждать не потребуется....
Кстати - насос на аммиаке закоксовываться не будет точно

Прикинул такой вариант. Смесь аммиака и метилацетилена 3 моля к 1 молю. Состав элементов почти тот же, что у НДМГ. "На пальцах" УИ получается на 7-8 с меньше, но немного больше керосинового. Нетоксична, хорошие охлаждающие свойства. Единственное сомнение - в отношении взрывоопасности.

Прошло пять лет:
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=12447&start=0&postdays=0&postorder=asc&highlight=

Энергомаш в новом тысячелетии http://www.npoenergomash.ru/
•   Разработка и внедрение высокоэффективного топлива "Ацетам" (высококонцентрированный раствор ацетилена в сжиженном аммиаке)[/size]

[Salo]

Почему именно Метан?
У Бутана и УИ нормальный, и плотность поболе, и сжижается при 0,1МПа около нуля по Цельсию...

В принципе, что метан, что пропан, что бутан, что керосин - углеводороды. Отличие только в длине цепочки из атомов углерода. Чем длиннее цепочка, тем выше температура кипения. Особняком стоит метан - у него всего один атом углерода.
Что касается бутана, то это вполне нормальный заменитель керосина. Его физические и химические парамтры близки к керосину и переделать РН на бутан можно с минимальными усилиями.
Его преимущество в том, что он жидкость пр небольшом давлении, но газ при атмосферном. Следовательно баки падающих ступеней будут самоочищаться от остатков топлива.
Также для бутана проще обеспечить фракционную чистоту топлива простой перегонкой. Тогда как керосин - это всегда смесь различных углеводородов.

Меньшая чем у керосина плотность бутана сожрет прибавку УИ, зато появятся проблемы с криогенностью и взрывоопасностью, которые никому не нужны. А экологи как-нибудь перебьются.

Та не, криогенность бутану не нужна. Он при атмосферном давлении сжижается около нуля, если я ничего не путаю...

Верно. А при наддуве баков он будет жидким и при большей температуре.

Вот взрывоопасность - это нехорошо. Бутан тяжелее воздуха и при утечке он будет скапливаться в районе стартового стола. Малейшая искра и кирдык!

А если использовать этан?
 
У него плотность в газообразном состоянии практически такая же как у воздуха, а значит скапливаться он не будет.

При атмосферном давлении переходит в жидкую фазу при - 88,7°C. Плотность правда маловата - 544 кг/м3. Но это лучше чем у метана с его 423 кг/м3 при -162°C.

Если использовать переохлаждённый до -173°C, то можно увеличить плотность до  641 кг/м3.

Нужно учесть, что массовое соотношение компонентов для пары кислород / этан  равно 3,2. А значит объёмное соотношение для переохлаждённого этана будет 1,8,  а для кипящего 1,5.

Значит пара ЖК/ЖЭ (переохлаждённый) хорошо подходит для конверсии кислородно-керосиновых двигателей (объёмное соотношение около 1,9), а пара ЖК/ЖЭ (кипящий) - для конверсии вонючки (объёмное соотношение 1,4).

[Salo]

Кстати при давлении в 5 атм этан кипит при -53°C и имеет плотность 496 кг/м3. Значит при стандартном давлении наддува в 3 атм получим примерно -71°C и 520 кг/м3 при объёмном соотношении 1,45.

Можно попытаться сделать кислородно-этановый Протон.

[Salo]

Возможны ещё извращения с непредельными углеводородами типа метиалацетилена и этилена, но боюсь возникнут проблемы с коксованием каналов и форсунок.

[mihalchuk]

Не, просто интересно, какой УИ?

Секунд на 7 ниже керосинового и плотность ниже, поэтому увеличивать УИ путем добавки пропана или бутана смысла нет, тут мы получим только бесполезное усложнение. Зато для чистого аммиака температура в КС значительно ниже, чем у керосина, что облегчает охлаждение.

Насчёт усложнения - не уверен, можно и в один бак замешать
А сопло может быть и вообще охлаждать не потребуется....
Кстати - насос на аммиаке закоксовываться не будет точно

Прикинул такой вариант. Смесь аммиака и метилацетилена 3 моля к 1 молю. Состав элементов почти тот же, что у НДМГ. "На пальцах" УИ получается на 7-8 с меньше, но немного больше керосинового. Нетоксична, хорошие охлаждающие свойства. Единственное сомнение - в отношении взрывоопасности.

Прошло пять лет:
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=12447&start=0&postdays=0&postorder=asc&highlight=

Энергомаш в новом тысячелетии http://www.npoenergomash.ru/
•   Разработка и внедрение высокоэффективного топлива "Ацетам" (высококонцентрированный раствор ацетилена в сжиженном аммиаке)[/size]

Спасибо, Salo, я уж запамятовал. Метилацетилен в жидком виде ствбилен, ацетилен - нет. Осмелел народ за 5 лет.  

[Salo]

Почему метилацетилен при всех своих достоинствах до сих пор не нашёл применения в ракетной технике?

[Saul]

Вообще то, разнокомпонентные жидкости (допустим газолиновые фракции) возможно разделить по Т кипения (самогонный апп.), вымораживанием (рафинированное растит. масло) и по удельному весу (отстой). Допустим, хотелка - горючка что не боится  Т жидкого кислорода и с максимальным удельным весом. Отделяем из газолина вышеперечисленными способами. Проверяем вожделенный УИ, а чего там смесь получилась, пускай другие диссертации делают.

[Andrey]

Вообще то, разнокомпонентные жидкости (допустим газолиновые фракции) возможно разделить по Т кипения (самогонный апп.), вымораживанием (рафинированное растит. масло) и по удельному весу (отстой). Допустим, хотелка - горючка что не боится  Т жидкого кислорода и с максимальным удельным весом. Отделяем из газолина вышеперечисленными способами. Проверяем вожделенный УИ, а чего там смесь получилась, пускай другие диссертации делают.

Даже у метана небольшие проблемы с жидким состоянием при температуре кипения кислорода.
А чтоб какие-то фракции нефти оставались при таких условиях жидкими, ну это фантастика.