В Украине завершена оценка возможности создания украинской воздушно-космической системы на основе двухступенчатого ракетного воздушно-космического самолета многоразового использования. Следующие этапы: разработка Тактико-технического обоснования, выбор и утверждение Тактико-технических требований, выполнение проектных работ этапа аванпроекта и разработка Технических заданий для осуществления эскизного проектирования.
Этап выполнения аванпроекта ВКС характеризуется выбором оптимальных конструктивных и технологических решений. Я хотел бы остановиться только на одном аспекте: проработке на этапе выполнения аванпроекта возможности будущих модернизаций воздушно-космического самолета (ВКС). Предложенная изначально модульная конструкция ВКС позволяет заменять любые модули на конструктивно иные при сохранении массово-центровочных характеристик и параметров, обеспечивающих работоспособность ВКС.
Я имею в виду создание перспективной двигательной установки взамен предложенной на основе уже существующих конструкций и технологий. В предложенном варианте конструкции украинского ВКС двигательная установка состоит из двигательной установки первой ступени (суборбитального самолета), двигательной установки второй ступени (орбитального самолета) и сбрасываемых воздушно-реактивных двигателей, использование которых в атмосфере снижает стартовую массу и дает существенную прибавку для достижения орбитальной скорости. Предполагается закупка и применение готовых или незначительно модернизированных изделий. Этот вариант остается базовым, и, возможно, единственным военным вариантом.
1. ЖРД – жидкостный ракетный двигатель для ВКС должен отвечать основным требованиям:
- топливо не должно быть криогенным (от криогенного топлива в свое время не без оснований отказались военные специалисты);
- топливо должно быть доступным и технологичным при его изготовлении, хранении, перевозке, заправке в летательный аппарат и поступлении по магистралям в камеру сгорания ЖРД;
- топливо должно быть самовоспламеняющимся в камере сгорания ЖРД или должна быть обеспечена конструктивно возможность многократного запуска двигателя;
- стоимость топлива должна быть доступной для его применения в ВКС;
- топливо должно обеспечить необходимую тягу ЖРД в заданных массово-габаритных ограничениях для выхода орбитального самолета ВКС на заданную высоту с заданной скоростью;
- топливо не должно быть чрезмерно химически агрессивным, то есть не представлять смертельную опасность для человека при эксплуатации ВКС в штатной и аварийной ситуации.
Как видно из приведенного перечня, требования к ЖРД сводятся, в основном, к топливу.
Начнем с последнего требования. В настоящее время орбитальные маневрирующие аппараты (космический буксир «Фрегат», Россия, ОК «Space Shuttle» и новые проект ОК «Орион», США и др.) применяют наиболее распространенные топлива: несимметричный диметилгидразин + азотный тетраоксид, монометилгидразин + азотный тетраоксид - компоненты которых являются чрезвычайно токсичными.
Идеальным является топливо, продукты сгорания которого совпадают со смесью газов, которую выдыхает человек из своих легких: углекислый газ и водяной пар, а компоненты топлива либо присутствуют в организме человека в минимальных количествах, либо мало чем от них отличаются, и являются малотоксичными. И такое топливо может быть применено для украинского ВКС.
Горючее. Из всех наиболее известных в настоящее время ракетных топлив наиболее привлекательными кажется широко применяемые во многих транспортных средствах нефтепродукты (например, смесь нефтепродуктов - керосин), а также спирты (например этиловый спирт - С2Н5ОН).
Керосин нестабилен по составу от партии изготовления к партии, что влияет на характеристики ЖРД. Кроме того, безграничный рост цен в мире на нефтепродукты при массовом использовании керосина в авиации вряд ли можно рассматривать как вариант для ВКС: можно спрогнозировать повторение истории. В воспоминаниях В. Р. Дорнбергера, организовавшего создание ракетной техники времен второй мировой войны в Германии и ставшего активным сторонником создания «Space Shuttle» в США, описывается ситуация, когда суперсовременные самолеты, созданные в Германии (реактивные, турбореактивные, турбовинтовые и поршневые) оставались на аэродромах при налетах авиации союзников из-за отсутствия бензина и керосина, а ракеты Фау-2 (А-4) в это время стартовали: горючим для ракет был спирт, изготавливавшийся из растительных продуктов.
Итак – спирт:
- производство налажено во всем мире из картофеля, отходов крахмалопаточного производства и сахара, тростника и пр., производится синтезом, доступен, относительно дешев;
- этиловый спирт содержится в организме человека и в малых количествах безопасен, утилизируется и растворяется водой;
- технологичен в производстве, при хранении, перевозке, заправке ракетной техники и при поступлении по магистралями в камеру сгорания ЖРД;
- параметры спирта стабильны и могут регулироваться добавкой воды, что не снижает энергетические характеристики;
- при сгорании в ЖРД образуется водяной пар под высоким давлением высокой температуры – аналог наиболее эффективного из применяемых в ракетной технике топлива водород (Н2) + кислород (О2) – и углекослый газ; смесь газов близкая к выдыхаемой человеком из легких.
Известны два вида подобных по характеристикам спиртов, которые нашли применение в ракетной технике:
- этанол (этиловый спирт - С2Н5ОН), применялся с добавлением воды в количестве 15-25% по весу, использовался, например, в паре с жидким кислородом;
- метанол (метиловый или древесный спирт – СН2ОН), применялся с добавлением гидразингидрата в паре с перекисью водорода.
Этанол получают брожением, а также путем синтеза из нефтепродуктов. Он имеет несколько более лучшие характеристики, чем метанол: выше молекулярный вес, выше температура кипения, ниже температура замерзания, выше ПДК в воздухе.
Метанол в массовых количествах получают окислением метана, одного из самых распространенных на Земле газов, и в результате реакции окиси углерода и водорода.
Оба спирта практически не вызывают коррозионного воздействия на металлы.
Опасны для человека только в больших количествах. Для защиты при работе с этими спиртами достаточно применять респираторы, очки и защитную спецодежду.
В качестве горючего мог бы применяться широко распространенный в природе углеводород метан (СН4), но это газ, требующий сжижения. Метан можно рассматривать для сравнительной оценки применения окислителя.
Окислитель. Есть в природе окислитель, по химической формуле практически мало чем отличающийся от воды – перекись водорода (Н2О2).
Высококонцентрированный водный раствор перекиси водорода (80%) впервые в ракетной технике был применен в 1936 г. в качестве однокомпонентного топлива и окислителя. Перекись водорода успешно применялась в конструкции Фау-2 (А-4) и других ракетах в качестве рабочего тела турбонасосных агрегатов. Как окислитель использовалась в паре с керосином. Перспективным применение перекиси водорода считается в качестве окислителя для пентаборана и гидрида бериллия.
Перекись водорода может разлагаться (катализаторами могут быть медь, серебро, продукты коррозии железа и пр.). При термическом разложении превращается в парогаз, состоящий из паров воды и кислорода с температурой около 1000 оС.
В промышленных условиях может получаться раствор перекиси водорода с концентрацией до 98%. Обычно перекись водорода получают в процессе переработки надсерной кислоты (пероксодисерной кислоты) гидролизом. Способы получения перекиси водорода и повышения ее концентрации давно известны и применяются.
Перекись водорода не токсична, средства защиты практически не отличаются от используемых для работы со спиртом.
Перекись водорода взрывоопасна только при ее загрязнении. Так что получение, применение перекиси водорода для ВКС связано с внедрением «чистых» технологий. Не секрет, что многие технологии Германии времен второй мировой войны до сих пор не достигнуты в большинстве стран мира – Украине не является исключением.
Можно охарактеризовать топливо ЖРД для украинского ВКС: спирт + перекись водорода - в сравнении с топливом несимметричный диметилгидразин + азотный тетраоксид с топливом метан + перекись водорода, сведения о котором имеются в открытых источниках (характеристики близки к топливу спирт + перекись водорода).
Сравнение по удельной тяге (Р1) и удельному импульсу (Ip):
- 285,2 с / 175,9 с для топлива АТ + НДМГ;
- 278,2 с / 169,7 с для топлива метан + перекись водорода.
Разница по удельной тяге –2,45%, по удельному импульсу –3,52%.
Известны, например, данные: компонентами топлива истребителя Me-163 служили смесь метилового спирта, 30%-ный гидразин гидрата и 13% воды (горючее) и перекись водорода (окислитель). ЖРД "Вальтер" HW 509 С-1, тяга 20 кН) (http://www.topicnews.net). Этот ЖРД имел удельный импульс порядка 200 с (1960 м/с). Более современный уровень показателей, близких к топливу метан + перекись водорода.
Такой уровень снижение характеристик ЖРД при переходе с АТ + НДМГ на пергидроль (перекись водорода) + спирт следует компенсировать при проектировании ЖРД и сбрасываемых воздушно-реактивных двигателей ВКС. Достижение наиболее высоких удельной тяги и удельного импульса не являются самоцелью при создании летательного аппарата. Можно сказать, что удельный импульс авиационных прямоточных двигателей на порядок выше, чем ЖРД.
