3.2. Криогенные ракетные топлива. Способы перевозки

При сгорании топлива, используемого в ракетно-космических системах и состояще­го из окислителя и горючего, потенциальная энергия которых сосредоточена в их исход­ных веществах, преобразуется с высокой скоростью в двигателях ракет в тепловую, а за­тем в кинетическую энергию движения газов, создающих реактивную тягу. Теплотворная способность является важнейшим параметром, характеризующим свойства ракетного топлива. Теплопроизводительность, скорость истечения продуктов сгорания и удельная тяга (удельный импульс) являются первичными параметрами топли­ва, характеризующими его эффективность.

Наибольшими удельными импульсами обладают топливные пары, состоящие из криогенных компонентов или включающие в себя хотя бы один из них. Недостатком кри­огенных компонентов являются низкие температуры их существования и относительно малая удельная масса. Последнее приводит к необходимости увеличения баков ракеты, поскольку на скорость и дальность полета влияет плотность компонентов топлива.

Выбор двигателей, работающих на высококипящих или низкокипящих компонен­тах ракетного топлива, осуществляет разработчик РКН с участием разработчиков РН и РБ.

3.2.1. Окислители

К криогенным окислителям относятся жидкий кислород и жидкий фтор.

Жидкий кислород — активный окислитель и экологически чистый продукт. Сырь­ем для получения кислорода является воздух, в котором содержится 21 % кислорода. Жид­кий кислород как компонент ракетного топлива, применяется на многих ракетно-косми­ческих комплексах. Он представляет собой прозрачную жидкость с голубым оттенком, имеющую удельную массу 1,14 кг/дм³. Температура его кипения равна минус 183 °С, тем­пература плавления минус 219 °С.

Выпускается жидкий кислород по ГОСТ 6331-78 трех сортов — высший с содер­жанием кислорода не менее 99,7 % об., первого сорта — с тем же содержанием кислоро­да, но с большим содержанием в нем углерода, и второго сорта — с содержанием кисло­рода не менее 99,5 % об.

Для двигательных установок ракет используется, в основном, кислород второго сорта, что оговаривается в исходных данных. Для топливных элементов орбитальных кораблей используется особо чистый кислород с содержанием 99,99 % об., получаемый по специальным техническим условиям.

Установки для получения кислорода (азота) [2, 3] размещены в различных регио­нах страны, поэтому доставка жидких кислорода и азота на космодромы может осуществ­ляться в зависимости от конкретных условий. Кроме этого, космодромы имеют и свои кислородно-азотные заводы.

В ракетно-космической технике жидкий кислород используется как кипящим при атмосферном давлении, так и охлажденным по отношению к кипящему, что увеличивает его плотность и время существования в жидком виде. Охлаждение кислорода осуществля­ется на стартовом комплексе средствами системы заправки.

Жидкий фтор обладает высокой химической активностью и является наиболее ак­тивным окислителем.

Он представляет собой жидкость желтого цвета с удельным весом 1,52 кг/дм² с температурой его затвердения — минус 220 °С. Основным источником получения фтора является флюорит, широко распростра­ненный в природе.

Фтор весьма токсичен, вызывает поражение дыхательных путей. Предельная до­пустимая концентрация фтора в воздухе не должна превышать 0,0001 %.

В качестве конструкционных материалов для хранения фтора используют нержа­веющую сталь, алюминий, а также медь и никель.

Во второй половине прошлого столетия в нашей стране были проведены большие экспериментальные работы по определению взаимодействия элементов оборудования с жидким фтором и был создан поезд, обеспечивающий его транспортировку. Для сохране­ния фтора в жидком состоянии и сведения к минимуму его испарения при хранении и перевозке, фторные резервуары были снабжены рубашками, заполненными жидким азо­том, имеющим более низкую температуру, чем жидкий фтор.

В США были проведены большие работы по созданию криогенного окислителя из смеси жидких кислорода и фтора.

Одними из главных задач при создании оборудования систем, предназначенных для работы со фтором, являются обеспечение высокой надежности и безопасности, а так­же экологическая защита окружающей среды при его эксплуатации.

Свойства жидких кислорода и фтора приведены в табл. 3.2.1.

Таблица 3.2.1 Свойства криогенных окислителей (при давлении 0,1019 МПа и 0 °С)

Показатели	Кислород	Фтор
Молекулярная формула	о2	F2
Молекулярная масса	32	38
Температура фазовых переходов, К - кипения - плавления	90,03 54,2	84,87 53,38
Критическая температура, К	154,78	144,31
Критическое давление, МПа	5,18	5,15
Плотность, кг/м3 - жидкости - газа	1142 1,43	1505 1,7
Теплота испарения, ккал/кг	51	41,1
Теплота плавления, ккал/кг	3,33	3,2
Теплоемкость, ккал/кг х град - жидкости -газа	0,4 0,218	0,3 0,198
Динамическая вязкость, Н х с/м2	0,188 х Ю-3	0,275 х Ю-3
Скорость звука в жидкости, м/с	913	-

Следует отметить, что на практике в ракетно-космической технике до настоящего времени в качестве криогенного окислителя используется только жидкий кислород.

Транспортировка жидкого кислорода

Жидкий кислород на СК доставляется железнодорожным транспортом. Для этих целей созданы два типа железнодорожных цистерн, унифицированных для перевозки жидких кислорода, азота или аргона — модель 8Г-513, модель 15-558С.

В таблице 3.2.2 приведены их технические характеристики.

Таблица 3.2.2 Технические характеристики железнодорожных цистерн моделей 8Г-513 и 15-558С для перевозки жидких кислорода, азота или аргона

Наименование	Цистерна 8Г-513	Цистерна 15-558С
Геометрический объем, м3	30	44
Масса заправляемого продукта, кислород/азот, т	36/25,5	47/34
Рабочее давление в сосуде, МПа	0,25	0,5
Потери жидкости, % по кислороду	0,22	0,26
Длина по осям, мм	12570	14730
Масса порожней цистерны, т	35,4	36
Нагрузка на ось, т	17,8	22,9
Скорость опорожнения, л/мин	800-880	500-800

Цистерны различаются количеством перевозимого продукта и практически не отли­чаются принципами построения. На рис. 3.2.1 и 3.2.2 представлены общие виды цистерн АГ-513 и 15-558.

Рис.3.2.1. Цистерна 8Г-513: 1 — электрооборудование; 2 — система комму­никаций; 3 — будка; 4 — лестница; 5 — хомут;

6 — магистраль; 7 — платформа

Рис.3.2.2. Цистерна 15-558С

3.2.2. Горючие

К криогенным горючим относятся жидкий водород и СПГ. Жидкий водород

Водород является эффективным горючим и применяется в современных ракетно-космических комплексах в паре с жидким кислородом. По калорийности он в 3,3 раза превосходит нефть, в 2,5 раза — природный газ. Для его получения из воды требуется большое количество энергии, так как он не существует в чистом виде.

Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость с удельной массой 0,07 кг/дм³. Температура его кипения — минус 253 °С, точка плавления — минус 259 °С. Свойства жидкого водорода приведены в табл. 3.2.3.

Таблица 3.2.3 Свойства криогенных горючих (при давлении 0,1013 МПа и 0°С)

Показатели	Водород	Метан (СПГ)
Молекулярная формула	Н2	сн4
Молекулярная масса	2,016	16,043
Температура фазовых переходов, - кипения, К - плавления, К	20,3 11,2	111,7 90,7
Критическая температура, К	33,2	190,8
Критическое давление, МПа - жидкости - газа	1,298 0,09	4,3 0,717
Теплота испарения, ккал/кг	105,5	122
Теплота плавления, ккал/кг	13,9	14
Теплоемкость, ккал/кг х град - жидкости - газа	3,43 0,196	0,532 0,344
Динамическая вязкость, Н х с/м2	0,109 х Ю-5	0,13 х Ю-4
Скорость звука в жидкости, м/с	1124	283
Каллориметрическая температура горения, К	2508	2316
Пределы горения в воздухе, % об.	4-75	5-15
Температура самовоспламенения, К	858	815

Задачи перевода водорода в конденсированное (жидкое) состояние, его транспорти­ровки и хранения в промышленном масштабе были решены только в середине XX столетия.

Жидкий водород известен в двух модификациях — орто- и пара-, отличающихся состоянием молекул — с одинаковыми и противоположными направлениями вращения атомных ядер (параллельные и непараллельные спины). При низких температурах устойчивой модификацией является параводород, он и отпускается потребителю на заводах-ожижителях.

Водород не вызывает коррозии металлов, но для получения и хранения жидкого водорода из-за низких температур требуются высоколегированные стали с малым линей­ным температурным расширением и алюминиевые сплавы типа АМг5 и АМгб.

Водород взрывоопасен при соединении с кислородом в диапазоне концентраций 4,65-96 % об. и с воздухом в концентрациях 4-75 % об., образуя так называемую «грему­чую» смесь. Поэтому при обращении с водородом необходимо использовать такие технологии работ, которые исключали бы образование взрывоопасной смеси. Энергия воспламенения водорода невелика и составляет только 10 % от энергии воспламенения углеводородов.

Для получения жидкого водорода газообразный водород необходимо ожижить, для чего осуществляют следующие операции:

- сжатие газообразного водорода в компрессоре;

- очистка от примесей и осушкой в специальных аппаратах;

- ожижение за счет предварительного охлаждения и расширения в детандере;

- орто-пара конверсия на платиновых катализаторах.

Следует иметь в виду, что стоимость жидкого водорода в настоящее время в России чрезвычайно высока — 10-12 долларов США за 1 кг. Это связано с высокой энергоемко­стью и сложностью оборудования для получения газообразного водорода и его ожижения.

По стандарту ОСТ В113-03-502 «Водород. Технические условия» жидкий водород выпускается двух марок — «А» и «Б», различающихся содержанием азота (соответственно 2х 10"*% об. и 2 х Ю⁵ % об. при содержании кислорода на уровне 2 х 10"⁷ % об.).

Баки ракеты обычно заправляют жидким водородом марки «Б», а в электрохими­ческих генераторах используют жидкий водород марки «А».

В настоящее время жидкий водород в России производится в ограниченном коли­честве (600-700 т/г) только на предприятии НИИхиммаш.

Рис.3.2.4. Цистерна ЦТВ-45/1,0

Рис.3.2.3. Цистерна ЖВЦ-100М

Транспортировка жидкого водорода

Ввиду удаленности заводов по производству жидкого водорода от космодромов, транспортировка его до мест потребления должна осуществляться, в основном, железно­дорожным транспортом. Может использоваться также специально созданный для пере­возки жидкого водорода автомобильный транспорт.

В конце 70-х годов XX века была создана железнодорожная цистерна ЖВЦ-100 (а затем и ЖВЦ-100М), способная перевозить до 7 т жидкого водорода. Цистерна установ­лена на серийные двухосные вагонные тележки, что позволяет перевозить продукт по железным дорогам любой тягой, в том числе электрифицированной; агрегат снабжен бе­зопасным дренажным устройством (рис. 3.2.3). Техническая характеристика железнодорожной цистерны ЖВЦ-100М

Параметр	Величина
Геометрический объем, м3	119
Масса заправляемого водорода, кг	7350
Рабочее давление в сосуде, МПа	0,25
Потери от испарения, % в сутки	0,81-1,0
Масса порожней цистерны, т	77
Габарит по ГОСТ 9238-83	IT
Длина сцепления по осям автосцепок, мм	25730
Нагрузка от оси на рельсы, т	21,2
Выдача жидкого водорода	Вытеснительная, сторонним наддувом

Разработана и выпущена автомобильная цистерна ЦТВ-45/1,0 для перевозки жид­кого водорода (рис. 3.2.4). Особенности этой цистерны заключаются в том, что она может эксплуатироваться и в условиях тропического климата при температуре окружающего водуха от 283 до 318 К, относительной влажности от 50 до 100 % и солнечной радиации до 881 Вт/м³.

Таблица 3.2.5 Техническая характеристика цистерны ЦВТ45/1,0

Параметр	Величина
Вместимость, м3	45
Рабочее давление, МПа (кгс/см3)	1,0(10)
Рабочий продукт	жидкий водород
Масса перевозимого жидкого продукта, кг	2740
Минимальная температура продукта, К	20
Потери водорода от испарения, % в сутки	0,85

Сжиженный природный газ — СПГ

Сжиженный природный газ — СПГ — новое альтернативное горючее, до сих пор не применявшееся в ракетно-космической технике.

СПГ — криогенный продукт, получаемый из природного газа путем его очистки и сжижения, с преобладающим содержанием метана. Количество метана в газе составляет от 70 до 99 % в зависимости от месторождения газа. Для ракетно-космической техники разработаны технические условия ТУ 021 -00480689-96 «Газ горючий, природный сжижен­ный. Топливо для ракетной техники».

Как энергоноситель СПГ имеет высокие показатели по теплотворности (на 17 % больше, чем у керосина), хладоресурсу (в 3 раза выше, чем у керосина), по сгоранию топлива (отсутствие коксообразования). Стоимость СПГ существенно ниже, чем авиационного и ракетного керосина.

Сжиженный природный газ представляет собой быстроиспаряющуюся прозрач­ную жидкость без цвета и запаха с удельной массой 0,424 г/дм³. Температура его кипения — минус 162-164 °С, температура плавления — минус 182 °С.

По физико-химическим показателям сжиженный природный газ как ракетное го­рючее должен соответствовать нормам, изложенным в табл. 3.2.6 [28].

Таблица 3.2.6 Нормы физико-химических показателей сжиженного природного газа

Показатель	Норма
Объемная доля, %: - метана, не менее - этана, пропана, не более - бутан-гексана, не более - гектан-декана, не более - непредельных и циклических углеводородов, не более - азота, не более - диоксида углерода, не более - сероводорода и серосодержащих (меркаптаны), не более	94,0 4,820 0,036 0,001 0,001 1,130 0,011 0,001
Содержание воды (точка росы по влаге), не более, г/м3	0,012 (-70 °С)
Содержание твердых примесей, не более, г/м3	0,001
Размеры частиц механических примесей и кристаллов, не более, мкм	10
Низшая теплотворная способность, кДж/кг	49 500

СПГ — низкотемпературная жидкость. Холодные пары СПГ температурой ниже 150 К тяжелее воздуха. Предельно допустимая концентрация (ДПК) углеводородов при­родного газа в воздухе рабочей зоны равна 300 мг/м³. Температура самовоспламенения СПГ — 450 °С. Сброс паров СПГ в открытую атмосферу не допускается, их необходимо дожигать в специальных факельных устройствах.

В мировой практике создана наземная инфраструктура производства, хранения СПГ и заправки этим продуктом различных потребителей. Многолетняя эксплуатация под­твердила безопасность и высокую надежность работ с СПГ.

Промышленное производство СПГ в настоящее время в РФ отсутствует. Имеются опытно-промышленные установки, работающие по неоптимальным термодинамическим циклам. Однако ведутся работы по созданию крупных установок по получению СПГ, на­пример, на Сахалине (проект «Сахалин-2»), имеются проекты получения СПГ на Ямале, функционируют небольшие установки получения СПГ в С.-Петербурге, Самаре, Перво­уральске, Подмосковье. При некоторых затратах вопрос обеспечения ракетно-космичес­кой техники сжиженным природным газом может быть решен уже в настоящее время.

Транспортировка СПГ

Доставка СПГ на космодромы может осуществляться как по железным, так и по автомобильным дорогам.

Для перевозки СПГ по железным дорогам промышленностью создана железнодо­рожная цистерна 15-147У (рис. 3.2.5), в которой возможна перевозка и жидкого этилена.

Конструкция этой цистерны аналогична конструкциям цистерн для перевозки других криогенных продуктов. Она может эксплуатироваться в железнодорожных составах общесете­вого назначения и находиться в пути следования без сброса паров в атмосферу до 15 суток.

Рис.3.2.5. Железнодорожная цистерна Рис.3.2.6. Контейнер

15-147У универсальный, крупнотоннажный

Техническая характеристика железнодорожная цистерна 15-147У

Параметр	Величина
Геометрический объем, м3	65
Масса заправляемого СПГ, кг	26,6
Рабочее давление в сосуде, МПа	0,5
Потери от испарения, % в сутки	0,27
Масса порожней цистерны, т	41,5
Длина сцепления по осям автосцепок, мм	14730
Выдача жидкого водорода	самонаддувом

Для перевозки СПГ могут использоваться существующие автомобильные цистер­ны типа ЦТП-8/0 вместимостью 8 м³, а также цистерны вместимостью 16 и 25 м³.

В последнее время промышленностью разработаны унифицированные контейне­ры для перевозки СПГ и других криогенных продуктов. Контейнеры удобны тем, что они могут перевозиться железнодорожным транспортом на платформах, автомобилями, а также речным и морским транспортом. На рис. 3.2.6, 3.2.7 и 3.2.8 показан один из таких контей­неров, отдельно размещаемый как на ж.-д. платформе, так и на автомобиле, а также при­водится техническая характеристика контейнера одного из типоразмеров.

Рис.3.2.7. Контейнер на автомобиле Рис.3.2.8. Контейнер на ж.-д. платформе

Техническая характеристика контейнера 25 м³

Параметр	Величина
Общая вместимость, м3	25
Максимальная масса заполнения, кг	10 500
Максимальное рабочее давление, МПа (кгс/см2)	1,8(18)
Слив продукта	верхний
Метод слива	вытеснение возможно сторонним насосом
Присоединительные размеры, мм: - длина - ширина	5863 2259