Вода для ракетных двигателей и зарядов взрывчатых веществ - Энергетика и промышленность России - № 09 (293) май 2016 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/293/4499598.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 09 (293) май 2016 года

Вода для ракетных двигателей и зарядов взрывчатых веществ

Новые технологии Владимир РОМАНОВ, инженер-механик, изобретатель

Этот материал лишь косвенно затрагивает профильную тему нашего издания. Однако от этого выводы автора не становятся менее любопытными.

В статье рассматриваются недостатки современной термодинамики и теории ракетных двигателей и приводятся доказательства возможности использования воды в двигателях и зарядах взрывчатых веществ с повышением их основных показателей.


Суть вопроса

Современная теория технической термодинамики основана на изучении изменения внутренней энергии газообразного рабочего тела неизменной массы и одного молекулярного состава. Она не предусматривает изучение термодинамических циклов и изменение основных параметров рабочего тела при смешении его перед расширением с аналогичным, но более холодным рабочим телом, находящимся в конденсированном или газообразном состоянии, а также неиспаряющимся рабочим телом другого молекулярного состава.

Содержащаяся в данной статье информация не претендуют на изменение существующих законов термодинамики, а лишь показывают, что действующая теория не предусматривает изучение более сложных термодинамических процессов, требует изучения и уточнения.

Внутренняя энергия газообразного рабочего тела (энтальпия), как принято считать, состоит из тепловой энергии и потенциальной энергии давления.

Но механическую энергию – силу, работающую во всех тепловых двигателях, – создает только потенциальная энергия давления рабочего тела.

При совершении механической работы потенциальная и тепловая энергия, составляющие внутреннюю энергию рабочего тела, снижаются, но их значительная часть не используется и теряется в окружающей среде.

Однако в любом тепловом двигателе можно передать энергию от более нагретого рабочего тела менее нагретому, при этом обеспечивается генерация более высокой потенциальной энергии рабочего тела, которая и используется для совершения механической работы.

Процесс передачи тепловой внутренней энергии от более нагретого жидкого тела к менее нагретому известен всем. Желая выпить стакан теплой воды, мы наливаем кипяток и разбавляем его холодной водой. Количество воды останется неизменным, но ее внутренняя энергия – температура – снизится.


Повышение потенциальной энергии горячего газа за счет тепловой

Аналогичный процесс происходит и при смешении горячего и холодного газообразных рабочих тел или при введении в газ холодной жидкости.

При подаче воды в высокотемпературные газы часть их тепловой энергии будет использована на нагрев и испарение поступившей воды и перегрев образовавшегося пара, при этом парциальное давление и температура их снизятся.

У образовавшегося пара появится свое парциальное давление, которое, в соответствии с законом Дальтона, суммируется с парциальным давлением газов.

В результате суммарное давление образовавшейся газопаровой смеси будет выше, что и требуется для повышения эффективности механической работы смеси в целом.

Кроме того, с повышением давления повысится и температура смеси. Это можно обосновать законом Шарля: «Для данной массы газа при постоянном объеме давление газа изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры газа». То есть и давление, и температура смеси будут выше парциальных давления и температуры паров воды и газа.

Таким образом, для повышения эффективности механической работы нужно стремиться к повышению в рабочем теле доли потенциальной энергии за счет доли тепловой, входящей во внутреннюю энергию рабочего тела.

Это возможно обеспечить введением в высокотемпературные продукты сгорания испаряющейся жидкости, например воды. Потенциальная энергия образовавшейся смеси возрастает, делая ее более работоспособной для совершения механической работы.

Теплофизические процессы генерации водяного пара за счет тепловой энергии более горячего источника тепла являются аналогичными. Избыточная и не используемая для совершения механической работы тепловая энергия продуктов сгорания используется для генерации водяного пара, потенциальная энергия которого увеличивает потенциальную энергию продуктов сгорания. Отличие состоит лишь в длительности процессов совершения работы.

Таким образом, продукты сгорания компонентов топлива в газопаровом ракетном двигателе, как и продукты взрыва заряда взрывчатых веществ в газопаровом заряде, по существу, являются детонаторами, инициирующими генерацию основного рабочего тела – водяного пара из воды.


Использование воды в газо-паровом ракетном двигателе

(Патент РФ № 2380563)

Теплофизические процессы в кислородно-водородных ракетных двигателях и в являющихся их близкими аналогами кислородно-водородных парогенераторах (ПГ) и пароперегревателях (ПП), аналогичны. И в тех и в других рабочие процессы являются непрерывными и генерируют рабочее тело – водяной пар.

В кислородно-водородных парогенераторах вода подается в высокотемпературный пар 3000‑3500°С для охлаждения – снижения его температуры до 500‑750°С, допустимой для использования в паровых турбинах. А в пароперегревателях наоборот – вода 3000‑3500° С подается во влажный пар для достижения им температуры 500‑750°С и снижения влажности. При этом и в тех, и в других обеспечивается повышение термического КПД, повышение давления, снижение температуры и снижение удельного расхода водородно-кислородного топлива на генерацию пара.

Таким образом, для разработчиков кислородно-водородных парогенераторов и пароперегревателей использование воды в циклах определяется их назначением и является необходимым условием работы.

В настоящее время известно много конструкций парогенераторов и пароперегревателей, защищенных патентами в таких странах, как США, Франция, ФРГ, Япония. Вода использовалась в одном отечественном ракетном водородно-кислородном двигателе замкнутого цикла и подавалась в газогенератор для снижения температуры водяного пара, поступающего в турбину турбонасосного агрегата, после чего смесь поступала в камеру сгорания для дожигания.

Однако до настоящего времени подача воды даже в продукты сгорания кислородно-водородного топлива не производится, так как разработчики двигателей считают, что подача воды в камеру сгорания ракетного двигателя приведет не только к снижению температуры, но и к снижению основных показателей двигателя, таких, как тяга и удельная тяга, и вынужденно используется как балластная добавка для снижения температуры продуктов сгорания.

При этом давно известно использование воды, например, в турбореактивном двигателе для форсирования тяги при взлете самолета.
«Форсирование ТРД путем впрыска жидкости в компрессор дает значительный эффект, но сопровождается большим расходом жидкости: при форсировании двигателя на 30 процентов расход воды в два – два с половиной раза превышает расход топлива», («Справочник авиационного техника», Воениздат, Москва, 1964 года).

Приведенные выше сведения доказывают возможность использования воды в ракетных рабочих циклах с введением ее в продукты сгорания водородно-кислородной пары топлива, а также в продукты сгорания ракетного топлива разного молекулярного состава.

Таким образом, воду необходимо использовать в рабочих циклах двигателей не только для водородно-кислородного топлива, но и для различных по составу продуктов сгорания. Также ее можно подавать в закритическую часть сопла для конденсируемых при высоких температурах продуктов сгорания, таких, как бериллий, литий, алюминий.

Использование воды не только резко упростит конструкцию сопловой части камеры двигателя, но и снизит стоимость двигателей и ракет в целом, а также стоимость их пусков.

Использование воды в заряде взрывчатых веществ

Газопаровой заряд, как и обычный монозаряд взрывчатых веществ, является тепловым импульсным двигателем одноразового действия, генерирующим огромное количество тепловой и потенциальной энергии, составляющих в целом внутреннюю энергию продуктов взрыва.

Механическая работа разрушения при взрыве заряда осуществляется только за счет потенциальной внутренней энергии продуктов взрыва – давлением газов.

Однако из‑за больших потерь тепловой энергии на нагревание окружающей среды, на остаточное тепло в продуктах взрыва после их окончательного расширения и на неизбежные химические потери доля использованной тепловой энергии составляет не более 40 процентов. При этом доля использованной потенциальной энергии давления, которая зависит от тепловой, составляет не более 10 процентов. Таким образом, эффективность использования энергии взрыва – полезная механическая работа – часто не превышает 1‑2 процентов, а при взрывах в твердой среде – 8‑9 процентов.

В известных зарядах, содержащих в своем составе взрывчатые вещества и детонатор, работоспособность определяется выделяющейся при взрыве теплотой и давлением газообразных продуктов. Работу метания или разрушения выполняет только внутренняя потенциальная энергия давления неконденсирующихся высокотемпературных токсичных газов, при этом их внутренняя тепловая энергия используется, частично теряясь в окружающей среде.

Высокая температура газов известных взрывчатых веществ и их токсичность являются серьезными недостатками и требуют применения специальных мер по снижению их отрицательного влияния.

Так, в метательных зарядах высокотемпературные газы вызывают перегрев стрелкового оружия, что ограничивает скорострельность и длительность непрерывной стрельбы и требует его охлаждения для сохранения работоспособности в условиях высокотемпературного атмосферного воздуха в странах с жарким климатом.

При работах в угольных шахтах для исключения случайных взрывов метановоздушной или пылевоздушной смеси допускается применение только специальных аммонитов, в состав которых входят значительные количества поваренной соли, служащей для понижения температуры образующихся газов и уменьшения их способности возбуждать взрыв метановоздушных и пылевых смесей, при этом снижение температуры приводит к снижению работоспособности веществ.

При взрыве горной породы в открытых карьерах или подземных шахтах требуется только местное нарушение ее целостности и деление на отдельные части без фугасности – разлета продуктов взрыва на большое расстояние от места взрыва, т. е. только бризантность.

При подземных взрывах в угольных шахтах и при прокладке тоннелей высокая токсичность образующихся после взрыва газов требует мощных вентиляционных систем и длительного периода их работы для снижения уровня токсичности газов до допустимого, при этом взрывные работы приостанавливаются, соответственно, снижается производительность труда горняков и шахтеров.

Повышение удельной энергии взрыва заряда, изменение диапазона ее величины при одном и том же количестве взрывчатого вещества возможно обеспечить использованием внутренней энергии газообразных продуктов взрыва для генерации водяного пара, при этом обеспечивается снижение фугасности, повышение безопасности работ, экологической чистоты взрыва по токсичности газов и выбросам тепла в атмосферу, возможность придания продуктам взрыва различных, в зависимости от назначения заряда, несиловых свойств (например, противотуманных, огнетушительных), повышение экологических и санитарных норм, а также снижение себестоимости зарядов и проводимых работ.

В газопаровом заряде вся потенциальная энергия (давление) и часть внутренней (тепловой) энергии образующихся при взрыве газов используется для генерации пара из парообразующей жидкости, например воды, которая входит в состав заряда и при его сборке размещается внутри заряда, рядом с зарядом или между зарядами ВВ, например, в шпурах или скважинах. Возможно размещение заряда веществ внутри емкости с водой, например для пожаротушения, когда необходим разброс большого количества жидкости на площади горения.

Газопаровой заряд может быть использован вместо любых зарядов, применяемых при взрывных работах в угольных шахтах, карьерах, при прокладке тоннелей, в боевых зарядах и т. д.

Его взрыв является экологически чистым, так как вода будет окислять и газообразные продукты взрыва, полностью нейтрализуя их токсичность.


Физика взрыва

Известно, что теплоемкость жидкостей, в том числе воды, находящихся в замкнутом объеме при высоких давлениях и температуре равна нулю, то есть и прогрев, и повышение температуры жидкости, находящейся внутри ампулы, будут после взрыва происходить мгновенно, и последующее расширение водяного пара с газами будет также происходить одновременно.

При взрыве происходит одновременно и тепловой взрыв находящейся в ампуле парообразующей жидкости – мгновенная генерация пара внутри образующихся при взрыве газообразных продуктов за счет их теплоты и воздействия на воду их давления, но при этом давление газов при взрыве не будет снижаться, так как отсутствует увеличение объема в сторону ампулы с водой – синергетический эффект.

В образующейся после взрыва газопаровой смеси давление и температура паров будут выше давления и температуры газов взрывчатого вещества, что обусловлено свойствами воды увеличивать свой объем в 1675 раз при переходе из жидкого состояния в парообразное.

Одновременный взрыв зарядов и воды резко увеличивает количество образующейся газопаровой смеси, при этом суммируются их давление и температура, повышая общую потенциальную энергию давления взрыва (мощность), так как парциальные давления газов и образующегося водяного пара суммируются.

При этом взрыв ГПЗ будет вначале крат­ковременно термобарическим («горячим»), но затем быстро охлаждающимся, так как содержащийся в газопаровой смеси водяной пар начнет охлаждаться и затем вообще исчезать, конденсируясь до состояния жидкости, при этом резко снижая атмосферное давление на всей площади взрыва.

Наличие двух веществ – газа и пара, образующихся при взрыве, обеспечивает возможность изменением количества парообразующей жидкости по отношению к количеству взрывчатого вещества заряда изменять в значительных пределах не только силу (мощность) взрыва заряда, но и параметры пара, содержащегося в газопаровой смеси.

Области использования

Газопаровой заряд может быть использован в любых по назначению боевых зарядах, детонирующих шнурах, кумулятивных зарядах, ракетах, для тушения пожаров и в любых промышленных зарядах. А также в промышленных пороховых генераторах давления, предназначенных для разрыва и термогазохимической обработки нефтегазоносных пластов, при сносе зданий – при этом резко сократится расход взрывчатых веществ и объем образующейся после взрыва пыли, так как она будет увлажняться паром.

Газопаровой заряд может использоваться при проведении следующих работ:
• разрушении бетонных и железобетонных фундаментов;
• штамповке взрывом;
• подводных взрывных работах;
• взрывании льда и ледяных заторов;
• уничтожении взрывоопасных устройств;
• рыхлении скальных грунтов;
• работах на открытых и закрытых горных разработках.

При использовании для промышленных взрывов обеспечивается:
• снижение пылеобразования;
• повышение безопасности взрывных работ;
• снижение объема токсичных газов;
• повышение экологичности и производительности.

Возможность мгновенной генерации большого количества водяного пара в локальной зоне с помощью взрывов взрывчатого вещества и воды, содержащихся в газопаровом заряде, обеспечивает создание не имеющих аналогов противопожарных мин, эффективность использования которых при ликвидации больших очагов лесных пожаров и пожаров в промышленных и жилых зонах будет значительно выше, чем при подаче воды в зону горения извне наземными средствами пожаротушения или сбросом ее сверху в зону горения с помощью летательных аппаратов, а себестоимость затрат значительно ниже.

Выводы

Таким образом, использование воды в цикле ракетных двигателей резко сократит общий расход и удельный расход топлива, снизятся размеры топливных баков.

При использовании воды с высокоэнергетическими топливами в большей степени увеличивается доля воды в соотношении «топливо – вода», соответственно, в большей степени уменьшаются масса компонентов и баков для них и удельная токсичность рабочего тела и в целом экологичность запусков.

Поэтому использование воды в рабочих циклах резко упростит конструкцию камер сгорания, сопла которых, не требующие «рубашки» охлаждения, смогут изготавливаться из обычной стали, снизится стоимость изготовления двигателя и его сборки.

Использование воды в зарядах ВВ обеспечит снижение расхода взрывчатых веществ на единицу мощности заряда, снижение пламенности и газообразования, повысит безопасность и степень экологичности при производстве промышленных взрывных работ во взрывоопасных угольных шахтах и при прокладке тоннелей, снизит вероятность случайных взрывов метано-воздушной или пылевоздушной смеси, повысит эффективность пожаротушения, а также снизит общую стоимость зарядов и взрывных работ.

Изобретенные газопаровой ракетный двигатель и газопаровой заряд взрывчатых веществ открывают новые направления и возможности в развитии техники и технологий и имеют особо важное народнохозяйственное значение.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 09 (293) май 2016 года: