omega_giperon (omega_hyperon) wrote,
omega_giperon
omega_hyperon

Categories:

Оседлав зеленого змия... НК 04/2006

Статья А.Борисова из апрельского номера "Новостей космонавтики" за 2006-й год. В ней просматривается менее мрачный юмор, чем в предыдущей, да и что такого в спирте как ракетном топливе? "Космокурс" разрабатывает ракету для суборбительного туризма именно на спирту. Вполне логичный выбор, раз хочется упростить и удешевить отработку и не требуются высокие энергетические характеристик.


Безостановочное сокращение ресурсов ископаемого топлива (нефти, газа, каменного угля) отсутствие реальной и быстрой альтернативы (в виде, например, управляемого термоядерного синтеза) и надвигающийся следом призрак глобального энергетического кризиса вынуждают специалистов, занимающихся созданием разнообразных движущихся средств, задуматься о возможности применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

Однако, в отличие от других отраслей промышленности, ракетостроение и космонавтика накладывают на такие раздумья железные рамки высокой концентрации энергии на единице объема изделия: согласитесь, невозможно представить себе ракету, стартующую с земли и снабженную «циклопическими» полями солнечных батарей, гигантскими ветряками или «ластами» для преобразования энергии волн и морских приливов. Трудно вообразить и космический носитель, работающий на дровах… А вот на спирте (Оставим пока в стороне возможность повсеместного использования жидкого водорода, получаемого в промышленных масштабах путем электролиза из воды – как показал почти пятидесятилетний опыт криогенного двигателестроения, это горючее оказалось «по зубам» далеко не всем странам, даже промышленно развитым…)? Почему бы и нет!

Как известно, Остап Бендер знал полтораста рецептов получения самогона – картофельный, пшеничный, абрикосовый, ячменный, из тутовых ягод, из гречневой каши...А любой самогон – пусть и с некоторой натяжкой – может быть неплохим горючим. Основная его составляющая – этиловый спирт (С2Н5ОН) – высококипящее горючее для ЖРД. Расписывать физико-химические свойства этого «важнейшего представителя предельных одноатомных спиртов» смысла нет – представляется, любому взрослому читателю они знакомы.

Как горючее для ЖРД этиловый спирт был предложен Германном Обертом в 1923 г. и в паре с жидким кислородом одним из первых стал применяться в ракетном двигателестроении. Первые управляемые баллистические и высотные ракеты, такие как A-4 (Германия), Viking, Redstone (США), Р-1/Р-2/Р-5 (СССР) и другие, работали на спирте.

Спирт наиболее полно удовлетворял требованиям, предъявляемым к ЖРД в период зарождения и первоначального развития современной ракетной техники (1930–1950 гг.): его производство было налажено, он обладал невысокой температурой горения, смешивался с водой в любых соотношениях, что давало возможность легко регулировать теплоту сгорания. До того, как в конце Второй мировой войны трофейные A-4 («Фау-2») попали в руки советских ракетчиков, эксплуатация техники «на спирте» никаких серьезных затруднений не вызывала (на Западе, во всяком случае).

Дальнейший прогресс ракетостроения потребовал новых, более высококалорийных горючих. На долю спирта, который потеснили керосин, амины и продукты группы гидразина, остались лишь вспомогательные и стендовые – учебные – двигатели. За рубежом проводились эксперименты со спиртом и высококонцентрированной перекисью водорода, а также изучение перспективных горючих типа гелей и эмульсий «спирт-керосин».

Однако в последнее время интерес к спирту неожиданно вспыхнул. Автор хорошо помнит саркастические усмешки на лицах специалистов, обсуждавших отечественные проекты верхних ступеней РН «Рикша» и «Единство» с кислородно-спиртовыми ЖРД и двигательной установки ориентации и маневрирования многоразового «Клипера», которая должна работать на этиловом спирте и сжатом кислороде. Неужели серьезных людей интересует (или, скажем так, забавляет) лишь «алкогольная составляющая» подобных проектов?

Конечно же, нет. Главный конек кислородно-спиртовых ЖРД – относительная простота организации процесса в камере, несложность системы зажигания и охлаждения, дешевизна горючего, а также высочайшая экологическая чистота эксплуатации двигателя на всех этапах.

Из всех многочисленных спиртов, испытанных в свое время в качестве ракетного горючего, нас прежде всего интересует этиловый. Поскольку этанол – продукт переработки полисахаридов, т.е. любых продуктов, содержащих древесную (растительную) клетчатку (целлюлозу), то, по мнению некоторых экспертов, его можно получать буквально из всего, что применяется в пищевой промышленности (или является ее отходами). Немцы во время Второй мировой войны добывали его из… специально выращенного картофеля. Однако до недавнего времени ставка делалась на промышленный небиологический синтез спирта из… продуктов нефтее и углехимической промышленности, т.е. из ископаемых топлив. Сейчас, поовидимому, пришла пора вернуться «к корням». Но об этом чуть позже.

Ракетное горючее на основе спиртов получают при смешении их с водой или другими компонентами, снижающими период задержки воспламенения. Ракетчики знают, что кислородно-спиртовую смесь в камере зажечь проще, чем кислородно-керосиновую. Количество добавляемой воды в зависимости от необходимой теплоты сгорания колеблется от 5 до 35%, причем эта добавка в некоторых случаях приводит к значительной экономии горючего без особого ущерба для характеристик двигателя.

Спиртовые горючие характеризуются сравнительно высокой теплоемкостью и значительной теплотой испарения, что обеспечивает им хорошую охлаждающую способность. Этиловый спирт 98,8-процентной концентрации по этой характеристике несколько уступает керосину, но добавка воды обеспечивает преимущество в охлаждении в сравнении с керосином. 82-процентный этиловый спирт снимает с охлаждаемой поверхности тепла примерно в 1.5 раза больше, чем чистый.

Содержание воды влияет не только на охлаждающие, но и на другие физические свойства горючих. При разбавлении спирта снижается теплота сгорания и температура в камере. Следует отметить, что удельный импульс ЖРД тоже падает, но не столь быстро. Кроме того, повышаются плотность горючих (за счет образования гидратов), температура кипения и кристаллизации.

Немцы и англичане экспериментировали с самовоспламенением смесей «спирт – перекись водорода», добавляя в горючее гидразингидрат и жидкие катализаторы. Такие смеси не отличались высокой энергетикой, но при весьма и весьма умеренных температурах в камере сгорания давали удельный импульс 200–210 сек (на уровне моря).

Токсикологические свойства спиртовых горючих хорошо известны. Предельно допустимые концентрации (ПДК) спиртов в воздухе рабочей зоны следующие: метиловый – 5 мг/м3, этиловый – 1000, бутиловый – 10.

Наиболее ядовит метиловый спирт, попадание его в организм человека обычно заканчивается смертельным исходом или серьезным повреждением зрения.

Сравним кислородно-керосиновое и кислородно-спиртовое топливо. Как видно из таблицы, второе примерно на 5% проигрывает в плотности и на 4% – в удельном импульсе, однако отличается меньшей температурой сгорания (на 300°, или 8–9%). То есть этанол не имеет ни веских преимуществ, ни резких «провалов» в характеристиках. Тем не менее надо помнить, что эти цифры до некоторой степени абстрактные, и сравнивать надо «изделия», работающие на данных топливах.

Для примера возьмем проект многоразовой двухступенчатой РН вертикального взлета и вертикальной посадки (типа Kistler; НК №9, 1998, с.33-35), предположив, что все без исключения проблемы, связанные с разработкой, испытанием и эксплуатацией системы данного типа, уже решены.

Условимся, что носитель служит для частых (раз в неделю) полетов на низкую околоземную орбиту, куда он доставляет ПГ низкого и среднего приоритета – ракетное топливо для разгонных блоков класса «низкая околоземная орбита – геостационарная орбита», оборудование для ремонта КА на низких и средних орбитах, припасы для пилотируемых орбитальных станций. Ступени РН оснащены ЖРД со средними [по сегодняшним меркам] параметрами по давлению, полноте сгорания и удельному импульсу (взяты из предыдущей таблицы).

На первый взгляд, первая ракета по всем параметрам превосходит вторую – мало того, что она почти на 38% грузоподъемнее, стоимость ее разработки (обусловленная, прежде всего, меньшей массой конструкции) чуточку – не более чем на 1% – но меньше.

Продолжим. За год эксплуатации (52 полета) кислородно-керосиновый носитель доставит на орбиту 376.5 т грузов, кислородно-спиртовый – 273 т. Но первый при этом сожжет 5840 т керосина, а второй – 7840 т спирта. В отличие от спирта, керосин как продукт переработки ископаемых топлив, относится к горючим невосполняемым.

Как говорилось выше, кислородно-спиртовый ЖРД в процессе разработки, испытаний, доводки и эксплуатации оказывается более простым, чем его кислородно-керосиновый собрат. Кроме того, хотя ракетчики обычно относят керосин к «нетоксичным» или «чистым» компонентам, им резко возражают экологи: кому нравятся «радужные» пятна нефтепродуктов на земле или воде? Спирт здесь явно в фаворе, особенно если речь идет не об одном полете, а о многолетней эксплуатации.

Взглянем на проблему использования этилового спирта шире – не только через призму ракетного двигателестроения.

История происхождения популярной метафоры «зеленый змий» теряется в глубине веков. Но в последние годы этиловый спирт приобрел репутацию «зеленого» и по другим причинам: он считается безвредной для окружающей среды альтернативой нефти и другим ископаемым топливам. Например, в Бразилии уже сегодня 40% потребностей в автомобильном горючем покрывается за счет спирта, получаемого из сахарного тростника. Активная борьба за применение спиртосодержащих горючих ведется и в США, где алкоголь сегодня «гонят» из кукурузы и подмешивают в бензин: в 2004 г. этиловый спирт, примешанный в бензин, составлял 2% от всего топлива, проданного в стране. Фирмы – изготовители автомобилей утверждают, что уже сегодня способны ежегодно производить до 5 млн «самобеглых колясок», работающих на топливе, включающем 85% этанола! По словам представителей станций техобслуживания, стоимость переделки любого пикапчика в автомобиль, способный работать на топливе Е85 (смесь 85% спирта и 15% бензина), составляет…менее 100 $!

Но так ли экологически чист этиловый спирт? Серьезные споры по этому поводу разгорелись недавно среди ученых и выплеснулись на страницы самых престижных журналов, включая Nature и Science. И тут весь фокус в том, как и что учитывать в расчетах.

При сгорании спирта получается углекислый газ и вода, но поскольку этот углекислый газ уже был поглощен из атмосферы при выращивании растений, то, казалось бы, новой порции в нее не добавилось. Тем не менее необходимо аккуратно учитывать все выбросы в атмосферу в процессе сельскохозяйственного и спиртового производства. И может оказаться, что по сравнению с использованием нефти выбросы сокращаются лишь на 13%. Более того, в Корнеллском университете в США подсчитали, что производство этанола требует больше энергии, чем впоследствии получается от его сжигания в автомобилях. При синтезе спирта используется большое количество чистой воды, а выращивание кукурузы и сахарного тростника приводит к эрозии и истощению почвы, сокращает разнообразие видов растений и тем самым наносит вред экосистеме.

Однако этанол может стать действительно хорошим топливом, если он будет получаться как побочный продукт переработки целлюлозы. В данный момент такая технология производства слишком дорога. Если вложить средства в ее модернизацию, можно научиться эффективно и коммерчески выгодно получать этиловый спирт в промышленных масштабах уже через пять лет.

Как уже говорилось, этанол из целлюлозы можно вырабатывать путем спиртового брожения: специальные грибки и бактерии преобразуют жесткие волокна целлюлозы в крахмал, который может быть ферментирован другими бактериями для последующей выгонки спирта. Чаще всего в спирт перерабатывается тростник (необязательно сахарный), хотя в дело может пойти любой материал – от отходов мукомольной (солома, отруби) и масложировой (жмых – подсолнечный, льняной или оливковый) промышленности до… опилок и стружек с лесопилки («обыкновенная табуретовка» О.Бендера). По оценкам, в настоящее время в одних только США пропадают миллиарды тонн подобного «богатства», которое могло бы пойти на спирт!

Сможет ли «новое горючее» получить какие-то преимущества в отдельно взятой стране, богатой недрами, просторами и…традициями гнать самогон даже из гуталина? Сейчас, скорее всего, нет, а вот лет через пятьдесят-сто, когда истощатся нефтегазовые скважины и каменноугольные разрезы… Время покажет, сможет ли «зеленый змий» примирить потребности человечества с возможностями нашей планеты.
Tags: Новости космонавтики, адвокат дьявола, будущее, в порядке бреда, вшивый о бане, глобальные проблемы, информация к размышлению, космос, мысли в слух, найденное, переделка, чтобы не пропало, юмор
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 10 comments