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.