7.4. Исг на основе гидразина
Источник сжатого газа на основе гидразина состоит из емкости или баллона с жидким гидразином (Бж), клапана или пирозатвора (ЭК) подачи гидразина, фильтра (Ф) и катализатора разложения (КР). К выходу ИСГ подключаются приводы.
Для начала работы ИСГ в баллон с жидкостью необходимо от какого-нибудь источника подать сжатый газ для вытеснения гидразина в катализатор разложения. Таким источником может быть пиропатрон. После начала работы часть газа после катализатора разложения может использоваться для дальнейшего вытеснения. Такая схема ИСГ приводится ниже.
На схеме обозначено: 1 - вытеснительная емкость, 2- полость для вытесняющего газа, 3 - пустая полость, 4 - полость с гидразином, 5 ,10- обратные клапаны, 6 - катализатор разложения, 7 - выходное устройство, 8 - выходной патрубок, 9 - регулятор давления, 11- сбросной клапан, 12 - пиропатрон. Пример исполнения катализатора разложения приводится ниже.
гидразин - хим. соединение водорода с азотом N2H4; бесцветная дымящая на воздухе ядовитая жидкость; применяется в производстве пластмасс, резины, входит в состав ракетного топлива.
Достижения химии за последние десятилетия в области разработки и создания ракетных топлив позволили существенно расширить ассортимент однокомпонентных топлив, способных удовлетворять самым жестким требованиям, предъявляемым к бортовым энергосистемам приводов ЛА. На базе этих достижений как в нашей стране, так и за рубежом появилось значительное количество принципиально новых типов бортовых ИСГ, способных работать на жидких топливах ракетного класса или их компонентах. Одним из основных достоинств этих ИСГ является сравнительная простота конструкции, возможность достижения широкого диапазона регулирования газопроизводительности и давления.
Применение жидких однокомпонентных топлив создает благоприятные условия для разработки и создания конструкции различных регулируемых ИСГ. Это прежде всего относится к источникам, работающим на однокомпонентных, каталитически или термически разлагаемых топливах. К числу таких топлив относятся гидразин и топливные композиции, созданные на его основе.
Однокомпонентный ИСГ, как источник газообразного рабочего тела, является регулируемой первичной теплоэнергетической установкой энергосистемы привода. Поэтому определяющим фактором при его разработке, проектировании, изготовлении и применении будут не только параметры генерируемого газа, но и свойства топлива, используемого в нем.
Основные требования, предъявляемые к топливам однокомпонентных ИСГ, можно сформулировать следующим образом. Топливо должно обладать большим запасом химической энергии и высокой плотностью, а продукты разложения топлива - хорошими термодинамическими свойствами (RT, R, k и т.д.).
Топлива, применяемые в энергосистемах приводов, должны иметь высокие конструктивные и эксплуатационные свойства. В соответствии с этими требованиями оцениваются физические свойства топлив: способность к разложению, самовоспламенению, пределы самовоспламеняемости, охлаждающие свойства, физико-химическая стойкость, взрывоопасность, агрессивность к конструкционным материалам, а также токсичность, температура кипения и, наконец, стоимость.
Столь многочисленные и подчас противоречивые требования одновременно удовлетворить невозможно. Поэтому определяющими свойствами топлива будут энергетические и эксплуатационные. Они и определяют конструкцию ИСГ и, в известной мере, энергосистемы в целом.
Особым вниманием отечественных и зарубежных разработчиков бортовых энергосистем приводов в последние годы пользуется гидразин и топливные композиции на его основе. Помимо хороших энергетических показателей газообразных продуктов разложения, возможности работать в широком диапазоне давлений при приемлемом теп-ловом и коррозионном воздействии на элементы конструкции привода, эти топлива имеют удовлетворительные физико-химические характеристики в жидком состоянии.
Учитывая специфические особенности большинства бортовых энерго-систем приводов, можно конкретизировать требования к однокомпонентным топливам:
-топливо должно быть химически и физически устойчиво при температурах окружающей среды в диапазоне - -70+ 50 °С в течении всего срока эксплуатации и хранения;
-температура разложения топлив и удельные тепловые потоки не должны вызывать нарушений работы ИСГ и привода из-за большой теплонапряженности с учетом длительности и цикличности работы на борту изделия;
-давление подачи топлива и давление в камере разложения ИСГ определяется из условий обеспечения статических и динамических характеристик потребителей с учетом кинетики химической реакции и стабильности процесса разложения.
Указанный перечень требований можно значительно расширить и детализировать, но это наиболее целесообразно проводить, учитывая требования каждого конкретного случая.
Процесс превращения исходного топлива в газообразное рабочее тело осуществляется в специальной реакционной камере - реакторе. Этот процесс происходит в результате экзотермической реакции разложения, которая основана на способности некоторых ракетных топлив или топливных смесей распадаться под воздействием внешних тепловых инициаторов или катализаторов. К числу этих топлив относятся гидразин, гидразингидрат, диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин, аммиак, изопропилнитрат, окись этилена, перекись водорода и т.д.
Важной отличительной особенностью гидразина и топливных композиций на его основе является способность как к каталическому, так и к термическому разложению. При этом процесс перехода топлива из жидкого в газообразное состояние осуществляется за время порядка 10-5 - 10-6 с. В обоих случаях процесс разложения устойчив и характеризуется постоянством давления, температуры, химического состава газа и т.д. Каталическое или термическое разложение дает возможность разработчикам энергосистемы привода заранее выбирать необходимый интервал температур, состав и параметры генерируемого газа, которые наиболее благоприятны для работы энергосистемы привода. Это достигается соответствующим подбором исходного топлива или топливной смеси и катализатора.
В случае термического разложения проводится необходимая доработка узла разложения реакционной камеры.
Процесс каталического разложения гидразина начинается при температуре катализатора, соизмеримой с температурой окружающей среды.
Термическое разложение гидразина начинается при температуре узла разложения большей 230 °С при отсутствии катализатора, т.е. требуется начальный подогрев.
В обоих случаях температура продуктов разложения, практически мгновенно, достигает своего конечного значения.
Гидразин может разлагаться по схеме
3N2H4 = 4NH3 + N2
4NH3 = 2N2+ 6H2 (диссоциация аммиака)
Параметры продуктов разложения гидразина зависят от степени его разложения на конечные продукты (H2, N2). При полном разложении гидразина на H2 и N2 выделяется 1580 кдж/кг тепла и продукты разложения имеют температуру 870 °К.
В соответствии с условиями процесса вторая реакция (диссоциация аммиака) может идти не полностью, тогда в продуктах разложения содержится аммиак, что влияет на значение температуры генерируемого газа (Т) и параметра RT продуктов разложения.
Примером реактора может быть конструкция с комбинированным пакетом гранулированного нихрома с добавками металлического катализатора и набором брикетов, спрессованных из нихромовой проволоки.
Требования к ИСГ обычно определяются и устанавливаются техническим заданием (ТЗ). Разработка ТЗ проводится на основании анализа существующих и перспективных образцов ИСГ, расчета требуемых энерговесовых характеристик, анализа и моделирования привода, проработки различных конструктивных вариантов источника энергии, анализа условий работы и т.д.
Важным этапом в разработке ТЗ является моделирование. Оно позволяет уточнить параметры привода и источника, а также оценить их взаимовлияние.
По результатам моделирования проводится уточнение параметров энергосистемы привода и источника энергии, которое позволяет сформулировать основные требования к бортовому ИСГ.
Гидразин сгорает на воздухе, причем эта реакция сильно экзотермична и приводит к образованию газообразных продуктов:
NH2-NH2 + O2 N2 + 2H2O + 149,5 ккал/моль
Это, а также упомянутые выше физические свойства определили применение гидразина в качестве ракетного топлива. Как окислители в ракетах применяют жидкий кислород или перекись водорода, а также азотную кислоту или еще лучше жидкий тетроксид азота:
2(NH2-NH2) + N2O4 3N2 + 4H2O
Кроме самого гидразина ракетными топливами служат и его метильные гомологи - метилгидразин CH3NH-NH2 и диметилгидразин (CH3)2N-NH2 , сочетающие в своих молекулах преимущества углеводородного топлива с достоинствами производных гидразина. Горючее на основе гидразинов применяется в мощных двигателях всех ступеней гигантских ракет-носителей. Например, во второй ступени четырехступенчатой ракеты, выведшей индийский спутник на орбиту в 1994 году, было сожжено 37 т диметилгидразина в смеси с тетраоксидом азота. С помощью двигателей, работавших на диметилгидразине, были произведены посадка и взлет лунной кабины системы "Аполлон" при высадке человека на Луну.
Космические системы, такие, как "Галилей"и "Кассини", оборудованы двигателями для коррекции орбиты, которые работают на гидразине и его гомологах. Например, 133 кг гидразина обеспечивают девятилетнюю работу в космосе двигателей телескопов "Шаттла". В таких двигателях используют или двухкомпонентное топливо на основе гидразинов (которое самопроизвольно вспыхивает, попадая в двигатель), или один гидразин, который мгновенно разлагается при контакте с предварительно нагретым металлическим катализатором. Происходящее при этом диспропорционирование - другое важное свойство гидразина, вызванное малой прочностью его молекулы:
3N2H4 = 4NH3 + N2
Гидразин используют также как полупродукт в производстве ядохимикатов и лекарств, волокон и антиоксидантов, для удаления кислорода из нагревательных систем, как катализатор полимеризации, средство для продувки технологических установок, при нанесении металлических покрытий на стекло и пластик, в фотографии и при газоочистке, а гидразин-сульфат - при очистке редких металлов, как антиоксидант в производстве легких металлов, как фунгицид (средство борьбы с грибками - сельскохозяйственными вредителями), при анализах крови.
Неудивительно, что еще в 1974 году в США было произведено свыше 17 тыс. т гидразина, причем производство как самого гидразина, так и его метильных гомологов непрерывно растет, что, кстати, уже вызвало появление существенной экологической проблемы хранения, транспортировки и ликвидации отходов этих веществ, обладающих сильным физиологическим действием и высокой токсичностью.