Опять водород

     К началу работ с жидким водородом в плане создания ракеты-носителя "Энергия" к I977 г. было осуществлено научно-техническое обеспечение этого направления. Было создано производство жидкого водорода с мощностью до 10 тыс. т в год. Создан парк железнодорожных цистерн с экранно-вакуумной изоляцией для перевозки жидкого водорода. Построены испытательные стенды для двигателей с жидким водородом на тягу 50 т в Загорске и 300 т в Нижней Салде. Практически начата отработка двух жидкостных двигателей на водороде с тягой 7,5 т (главный конструктор В.Ф.Богомолов) и 40 т (главный конструктор А.М.Люлька). Создан криогенно-машиностроительный комплекс (директор Института криогенной техники В.П.Беляков). Проведен ряд работ по материаловедению в условиях криогенных температур и воздействия жидкого водорода на конструкционные металлы в Физико-техническом институте, Центральном НИИ материаловедения и Государственном институте прикладной химии. Изучены взрывчатые свойства систем (водород и кислород в различных сочетаниях) по физическому состоянию (газ, жидкость и твердое тело). Работы проводили институты химической физики Академии наук и прикладной химии. В 1976 г. разработана летающая лаборатория на самолете Ту-154 с двигателем НК-88, первые полеты проводились несколько позднее. Двигатель НК-88 имел тягу 29 т и ресурс до 50 ч. Однако потребление жидкого водорода не вырастало до заявленного уровня. Правительством было принято решение в конце семидесятых годов о прекращении строительства и проектирования производственных баз "Куйбышевазот", "Навоиазот" и в городе Салда.
     В Соединенных Штатах после завершения программы "Аполлон" производство жидкого водорода упало и составляло на начало работ с "Спейс Шаттлом" 70 тыс. т в год.
     К 1980 г. функционировало производство жидкого водорода в СССР в Чирчике, Загорске и Днепродзержинске, но с полной загрузкой. В Чирчике и Загорске действовали установки, использующие газообразный водород, получаемый электролизом воды. В Навои и других комбинатах азотной промышленности действовали установки, использующие водородно-азотную смесь, отбираемую из агрегатов синтеза аммиака.
     Широкое внедрение водородного топлива сдерживалось, например, в авиации, из-за необходимости более уверенного решение вопроса эксплуатации водородных систем и наземного обслуживания Стоимость жидкого водорода в 1980 г. была 5,6 руб. за килограмм. После десятилетней эксплуатации установок при проектной их загрузке планировалось достичь стоимости 2,5 руб. за килограмм водорода.
     В поисках удешевления производства рассматривалось в перспективе применение плазмохимического и термоэлектрохимического методов получения водорода. Изучалась возможность применения ядерной энергии в процессах электролиза, термохимического разложения. НИКИЭТ и институт имени Курчатова показали, что могут быть использованы отработавшие свой срок радиоактивные агрегаты для дешевого расщепления воды. Получение твердого водорода в виде снега осуществлялось дросселированием водородно-гелиевой смеси и дросселированием жидкости в вакуум.
     Немецкое отделение "Эрбас" утверждает следующее. За последние сто лет население Земли стремительно выросло. Повысилось потребление энергии. До сих пор источниками энергии были: уголь, нефть, природный газ, древесина. При их сгорании образуется углекислый газ, накапливающийся в атмосфере. Возникают вопросы: надолго ли хватит ископаемого сырья и как долго еще можно создавать парниковый эффект на Земле. Промышленно разрабатываемых резервов нефти хватит еще на 40 лет, дальнейшая добыча связана с повышением затрат. Авиация, хотя и потребляет менее, чем 3 % добываемых энергоресурсов, требует кардинальных решений, не зависящих от ситуации, складывающейся с топливами.
    Фирмы под руководством немецкой компании "Deutche Aerospace Airbus" с основными партнерами - КБ А.Н.Туполева и двигательным бюро Н.Д.Кузнецова - ведут совместные работа по созданию транспортного самолета на водородном топливе "Криоплан". Первое поколение самолетов на жидком водороде будет создаваться на базе традиционных типов аэробусов А-300В. Генеральная проблема при размещении жидкого водорода - это в 4 раза больший объем по сравнению с керосином, и экстремально низкая температура, которая требует специальных конструктивных мер. Преимущество жидкого водорода - меньший втрое, по сравнению с керосином, вес, что снижает массу самолета.
     В России жидкий водород рассматривался как топливо будущего. Путь к этому - через промежуточный этап - природный газ. В КБ А.Н.Туполева расширяются работы над проектами самолета на сжиженном природном газе - Ту-156. Криогенный комплекс в аэропорту состоит из электролизера для производства жидкого водорода из воды или конвертера для производства из природного газа, очистных сооружений, устройства для сжижения. Для снижения стоимости производства комплексов задумано серийное их изготовление и монтаж в аэропортах. Маленькие аэропорты будут получать транспортируемые модули.
     О безопасности. Да, существует определенный психологический барьер. Но ведь и бензиновые двигатели когда-то вызывали страх. Автомобильный водородный бачок испытывали на скоростной тележке, имитируя разрушение или мгновенную разгерметизацию бака - водород также почти мгновенно улетучивался, а взрыва не было ни разу. По Москве с 1978 г. почти десять лет ходили два автомобиля, РАФ и "Волга", работавшие на водороде. Безвредность выхлопа даже на бензоводородной смеси резко повышается за счет более полного сгорания бензина.
     При создании ракеты-носителя "Энергия" в целях улучшения ее массовых характеристик была поставлена задача обеспечения ракеты переохлаждаемыми компонентами топлива и поддержания заданных температур при стоянке ее на стартовом комплексе.
     При решении этой задачи учитывались ограниченные мощности систем энергоснабжения стартового комплекса. Поэтому при создании наземных систем заправки предпочтение отдавалось тем способам переохлаждения компонентов, которые характеризуются минимальными энергозатратами, а также обеспечивают длительное хранение компонентов без изменения их кондиции.
     Для улучшения массовых характеристик ракеты путем повышения плотности заправляемых компонентов топлива впервые в отечественной ракетной технике задача заправки ракеты-носителя в больших количествах переохлажденными водородом и кислородом была успешно решена. Соединенные Штаты использовали так называемый кипящий водород. Переохлажденный кислород применялся давно - с Р-9.
     Созданная система заправки водородом обеспечивала подачу в ракету в режиме заправки переохлажденного (до -255 °С) жидкого водорода и поддержание его температуры там на уровне -253 °С в режиме термостатирования на заключительном этапе подготовки ракеты к пуску.
     Наряду с основной задачей переохлаждения компонентов был решен ряд взаимосвязанных с этим задач, в том числе по обеспечению чистоты криогенных компонентов, осушке горючего РГ-1.
     Созданные для заправки "Энергии" системы не имеют аналогов в отечественной и мировой технике и являются уникальными образцами заправочных систем.
     Криогенные системы заправки жидким кислородом и жидким водородом были разработаны и изготовлены предприятием п/я А-3605, система заправки горючим РГ-1 - предприятием ПО "Ждановтяжмаш" по техническим заданиям КБОМ на основе исходных данных НПО "Энергия".
     Для охлаждения криогенных жидкостей ниже температуры кипения, то есть получения переохлажденные жидкостей, применяются различные холодильные процессы, которые можно осуществить тремя способами:
     - посредством теплообменника с использованием хладагента на требуемом температурном уровне (холодильные машины, теплообменники с криогенными жидкостями, кипящими при температуре, более низкой, чем охлаждаемая);
     - барботированием неконденсирующимся газом;
     - прямым вакуумированием ванны с жидкостью.
     В способе охлаждения криогенных жидкостей с помощью холодильных машин производится выбор типа холодильных машин. В настоящее время применяются два их типа. Первый охватывает холодильные установки, реализующие низкотемпературный цикл в классической совокупности агрегатов: компрессор, холодильник, расширительная машина, охладитель или теплообменник для снятия тепловой нагрузки. Второй - это холодильные машины с внутренней регенерацией тепла. В таких машинах теплообменник регенератор расположен в мертвом пространстве расширительной машины, процесс расширения протекает одновременно с процессом теплообмена в регенераторе. Регенерация тепла осуществляется одновременно с процессом сжатия рабочего тела. Охлаждение криогенных жидкостей в газовых холодильных машинах происходит в теплообменнике за счет эффекта охлаждения - расширения рабочего газа с совершением внешней работы.
     Метод охлаждения криогенных жидкостей с помощью холодильных машин применяется, как правило, в случаях, когда необходимо исключить потери охлаждаемой жидкости в процессе ее охлаждения и длительного хранения. При хранении больших количеств криогенных жидкостей применение этого способа требует установки громоздких и дорогостоящих машин, что экономически не оправдано.
     Холодильные машины с внутренней регенерацией тепла компактны и относительно просты в эксплуатации, они легко могут быть автоматизированы, но имеют небольшую холодопроизводительность и могут применяться для охлаждения и термостатирования только небольших количеств криогенных жидкостей.
     Способ охлаждения посредством теплообменника в одинаковой мере применим для охлаждения любой криогенной жидкости. В качестве хладагента может использоваться жидкость, кипящая при температуре более низкой, чем охлаждаемая, или газ, охлаждаемый до требуемого температурного уровня с помощью постороннего холодильного цикла.
     В качестве хладагентов для переохлаждения водорода может быть использован жидкий водород, кипящий под вакуумом. Для охлаждения жидкого кислорода могут использоваться жидкий азот и жидкий азот, кипящий под вакуумом, бинарная смесь (жидкий кислород плюс жидкий азот под вакуумом) и жидкий водород. Способ охлаждения жидкости путем барботажа через нее неконденсирующегося газа, например, гелия, заключается в том, что пузырьки гелия, проходя через массу жидкости, насыщаются парами жидкости до равновесного состояния. Несущая пузырьки гелия жидкость понижает свою температуру, так как парообразование идет за счет внутренней энергии жидкости. Этот метод отличается надежностью и высокой холодопроизводительностью. Недостатком его является большой расход дорогостоящего и дефицитного гелия в процессе охлаждения. Для этого на стартовой позиции необходимо иметь большой запас гелия в баллонах, а также сложную систему очистки от примесей охлаждаемой жидкости. Это снижает эффективность данного метода.
     В способе охлаждения жидкости путем вакуумирования парового пространства охлаждение производится за счет частичного испарения жидкости при непрерывном отводе паров вакуумным агрегатом. Вакуумирование является простым, надежным способом, требующим только наличия соответствующих средств откачки пара. Такой способ может быть использован для переохлаждения жидкого водорода, однако он мало пригоден для глубокого охлаждения жидкого кислорода вследствие малого давления насыщенных паров кислорода при этих температурах. Вакуумные агрегаты дают очень малую производительность при таком давлении на входе.
     Одним из наиболее приемлемых средств вакуумирования, несмотря на низкий коэффициент полезного действия, является установка с газовым эжектором. Преимуществами такой установки является простота, надежность в работе и возможность отвода от охлаждаемой жидкости больших количеств тепла.
     Для охлаждения же высококипящих жидкостей применяются холодильные машины. В зависимости от степени охлаждения выбирается соответствующий тип машин.
     Способ охлаждения жидкого кислорода для заправки "Энергии" с применением газового эжектора при минимальной стоимости прост в управлении, не требует регулирования и в связи с отсутствием машинного оборудования обладает максимальной надежностью. Кроме того, для его реализации не требуется создания специального хранилища азота. Для обеспечения автономности система охлаждения включает в себя два охладителя, которые обеспечивают охлаждение до требуемой температуры кислорода, идущего на заправку отдельно блока второй ступени и блоков первой ступени. Суммарный расход жидкого азота на одну заправку составляет 200 т.
     Принцип работы системы переохлаждения заключается в следующем: в охладителе, стоящем на линии подачи в блок второй ступени, кислород за счет теплообмена с кипящим под атмосферным давлением азотом охлаждается до температуры -195 °С, после чего идет на заправку блока. В охладителе, стоящем на линии заправки блоков первой ступени, кислород охлаждается до такой же температуры, а затем смешивается с потоком жидкого кислорода, поступающим по байпасной линии, в результате чего нагревается до температуры -190 °С и поступает на заправку блоков первой ступени. Температура жидкого кислорода на выходе из охладителя блоков первой ступени задается заранее и достигается за счет перераспределения потоков через охладитель и байпасную линию с помощью соответствующих клапанов.
     В связи с необходимостью переохлаждения кислорода была решена задача обеспечения чистоты продукта. Анализ возможных способов охлаждения жидкого водорода показал, что наиболее целесообразным является охлаждение заправочного потока в теплообменнике, размещенном в ванне с жидким водородом, кипящим под вакуумом. В связи с этим анализировалось применение в система охлаждения жидкого водорода различных типов средств вакуумной откачки. При этом учитывались следующие основные требования, предъявляемые к системе:
     - определенная холодопроизводительность при заданной температуре кипения в ванне охладителя;
     - взрывобезопасность;
     - экономическая эффективность;
     - простота управления и эксплуатации;
     - заданные показатели надежности.
     Величина холодопроизводительности, уровень давления и температура откачиваемого газа определяет объемную производительность средств вакуумной откачки, а следовательно, их тип и количество. Откачка подогретых до нормальных температур паров водорода обеспечена наиболее высокопроизводительными средствами: осевыми, центробежными вакуумными насосами и эжекторами. Однако "теплая" откачка требует применения большого количества машинного оборудования для выполнения предъявленных к системе требований, а также значительного расхода энергии на подогрев газа, что в сочетании с большой потребляемой мощностью является неэффективным и усложняет систему из-за необходимости применения специальных теплообменных аппаратов и обеспечения теплоносителем. В связи с этим вариант системы охлаждения водорода с откачкой подогретых паров был отклонен. Указанные недостатки в значительной степени устраняются при откачке "холодных" паров. Однако, несмотря на достаточно большой ассортимент вакуумных насосов, выпускаемых отечественной промышленностью, их выбор для систем охлаждения криогенных жидкостей ограничен. Основной причиной является отсутствие надежных, высокопроизводительных насосов, работоспособных при криогенных температурах. По состоянию развития вакуумной техники на период 80-х годов, наиболее освоенными средствами откачки "холодных" паров водорода явились газовые эжекторы, в которых в качестве активного газа используется азот. Таким образом была определена схема и состав оборудования для системы охлаждения водорода.
     Охлаждение подаваемого в ракету жидкого водорода решено было осуществлять в трубчатых теплообменниках двух последовательно расположенных охладителей. Хладагентом является жидкий водород, кипящий в межтрубном пространстве теплообменника при пониженном давлении. Пары водорода из парового пространства охладителей откачиваются эжекторами. Пневмогидравлическая схема позволяет обеспечить различную холодопроизводительность системы за счет включения в работу различного числа эжекторов.
     Охладители представляют собой горизонтальные цельносваренные цилиндрические двухстенные аппараты со встроенными во внутренний сосуд (ванна охладителя) теплообменниками. На наружную поверхность трубок нанесено капиллярно-пористое покрытие, которое служит для интенсификации теплообмена. Теплообмен осуществляется между потоком жидкого водорода, движущимся по трубкам теплообменника, и водородом, кипящим в межтрубном пространстве при давлении ниже атмосферного.
     Результаты работ со стендовыми образцами и первыми летными ракетами "Энергия" подтвердили правильность принятых в наземных системах заправки технических решений задачи переохлаждения компонентов топлива: жидкого кислорода - в процессе заправки в ванне с жидким азотом, кипящим при атмосферном давлении; жидкого водорода - в процессе заправки в ванне с жидким водородом, кипящим при пониженном давлении; горючего РГ-1 - с помощью холодильных машин. Наземные системы обеспечили заправку ракеты с заданными температурами с высокой степенью точности. Выбранные схемы переохлаждения компонентов обеспечили выполнение поставленной задачи с минимальными энергозатратами. Переохлаждение криогенных компонентов в процессе заправки без предварительного захолаживания в хранилищах существенно увеличило надежность заправочных систем, сократило сроки подготовки систем к работе с ракетой, позволило обеспечить длительное хранение с гарантией кондиционности компонентов. При этом были также решены вопросы обеспечения требуемой чистоты компонентов.
     Принятые в заправочных системах схемы переохлаждения больших количеств компонентов топлива за счет теплообмена между собой различных криогенных продуктов отличаются минимальным энергопотреблением, что позволило решить поставленную задачу без создания на полигоне дополнительных крупных холодильных центров и мощных систем энергоснабжения стенда и старта. При создании криогенных систем была также решена проблема организации на полигоне рабочих мест (стендов) для сборки крупногабаритных сферических емкостей объемом 1430 м³ и их доставки к месту монтажа. Для сварки емкостей потребовалось создание рабочего места, защищенного от внешней среды и имеющего внутри стабильную положительную температуру. Эта задача была решена путем временного использования одного из пролетов монтажно-испытательного корпуса ракеты-носителя, а также создания рабочих мест, закрытых надувными палатками большого объема, на самих стенд-старте и старте, когда монтажно-испытательный корпус пришлось освободить в связи с монтажом в нем оборудования для сборки ракеты-носителя.

Далее...