RU2180050C2

RU2180050C2 - Propellant for liquid-propellant rocket engines

Info

Publication number: RU2180050C2
Application number: RU2000111092A
Authority: RU
Inventors: Р.Э. Катков; Н.Н. Тупицын
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2002-02-27

Abstract

FIELD: spacecraft. SUBSTANCE: propellant for liquid-propellant rocket engines used in cryogenic stages of spacecraft and launch vehicles has methane-based propellant and oxidizer. Mixture of methane and ethylene, mole content of methane from 5 to 25%, is used as propellant. Use of proposed propellant in medium class launch vehicles, capacity 300 t, makes it possible to reduce mass of launch vehicle, as compared with vehicles operating on methane + oxygen propellant, by app. 2%, which is equivalent to increase of mass of injected payload by app. 6.5%. Mass of injected payload is increased by app. 7.5%, as compared with vehicles operating on kerosene+oxygen propellant. EFFECT: increased mass of injected payload.

Description

Предлагаемое топливо предназначено для использования в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), применяемых в составе космических разгонных блоков (РБ) и ступеней ракетоносителей (РН). The proposed fuel is intended for use in liquid-propellant rocket engines (LRE) used in space booster blocks (RB) and launch vehicle stages (LV).

Аналогом данного топлива является топливо керосин+кислород [1, 3, 6]. An analogue of this fuel is kerosene + oxygen fuel [1, 3, 6].

Жидкий кислород в настоящее время является одним из наиболее распространенных окислителей в топливах ЖРД. Это связано с тем, что жидкий кислород является экологически безопасным компонентом топлива. Liquid oxygen is currently one of the most common oxidizing agents in LRE fuels. This is due to the fact that liquid oxygen is an environmentally friendly component of fuel.

При этом он дешев, не токсичен, умеренно пожароопасен и обеспечивает достаточно высокие энергетические характеристики топлив. Например, топливо керосин+кислород при давлении в КС 70 ата и геометрической степени расширения сопла 40 обеспечивает удельный пустотный импульс на ~ 8% больший, чем топливо керосин+AT, где в качестве окислителя используется азотный тетраксид. Moreover, it is cheap, non-toxic, moderately fire hazard and provides a fairly high energy characteristics of fuels. For example, kerosene + oxygen fuel at a pressure in KS 70 ata and a geometric degree of expansion of nozzle 40 provides a specific void pulse of ~ 8% greater than kerosene + AT fuel, where nitrogen tetraxide is used as an oxidizing agent.

Керосин представляет собой углеводородное горючее, являющееся смесью природных углеводородов, получаемых при перегонке нефти. Получение керосина из природной нефти обусловливает его относительную дешевизну. Кроме того, керосин является малотоксичным веществом, относящимся к 4-ому (низшему) классу опасности, умеренно пожароопасен и обладает достаточно высокой плотностью, что положительно сказывается на его эксплуатационных достоинствах. Kerosene is a hydrocarbon fuel, which is a mixture of natural hydrocarbons obtained by distillation of oil. Obtaining kerosene from natural oil determines its relative cheapness. In addition, kerosene is a low-toxic substance belonging to the 4th (lowest) hazard class, is moderately fire hazard and has a sufficiently high density, which positively affects its operational advantages.

В целом топливо керосин+кислород, является эффективным топливом с достаточно высокой плотностью ~ 1000 кг/м³ и достаточно высоким удельным импульсом истечения продуктов его сгорания, что позволяет достаточно эффективно решать существующие задачи, стоящие перед современными средствами выведения.In general, kerosene + oxygen fuel is an effective fuel with a sufficiently high density of ~ 1000 kg / m ³ and a sufficiently high specific impulse for the expiration of its combustion products, which allows one to efficiently solve the existing problems facing modern means of elimination.

К недостаткам топлива керосин+кислород относятся: относительно большая разница температур эксплуатации жидкого кислорода (~ 90 К) и керосина (~ 290 К), что требует принятия специальных мер, компенсирующих температурные напряжения, возникающие в баке хранения окислителя при заправке его жидким кислородом, и необходимость использования баков хранения компонентов с раздельными днищами и значительной теплоизоляцией между баками. Это ведет к существенному увеличению массы баков хранения компонентов и к увеличению объема, занимаемого баками хранения компонентов топлива в двигательной установке, что также увеличивает массовые затраты на хранение топлива. The disadvantages of kerosene + oxygen fuel include: a relatively large difference in the operating temperatures of liquid oxygen (~ 90 K) and kerosene (~ 290 K), which requires special measures to compensate for the temperature stresses that occur in the oxidizer storage tank when refueling it with liquid oxygen, and the need to use storage tanks for components with separate bottoms and significant thermal insulation between the tanks. This leads to a significant increase in the mass of the component storage tanks and to an increase in the volume occupied by the fuel component storage tanks in the propulsion system, which also increases the mass cost of fuel storage.

Прототипом предлагаемого топлива является топливо метан+кислород [2]. The prototype of the proposed fuel is methane + oxygen fuel [2].

Метан является основной составляющей природных газов, поэтому его производство, по оценкам, будет даже дешевле, чем производство керосина. По энергетическим характеристикам это топливо превосходит топливо керосин+кислород: при указанных выше давлениях в КС и геометрической степени расширения сопла удельный импульс топлива метан+кислород будет выше удельного импульса топлива керосин+кислород на ~ 4%. Methane is the main component of natural gases, so its production is estimated to be even cheaper than the production of kerosene. In terms of energy characteristics, this fuel exceeds kerosene + oxygen fuel: at the above pressures in the KS and the geometric degree of expansion of the nozzle, the specific impulse of the methane + oxygen fuel will be ~ 4% higher than the specific impulse of the fuel kerosene + oxygen.

Однако метан даже при температуре 91 К (температура его плавления 90,66 К) обладает низкой плотностью 455 кг/м³, при этом плотность топлива метан+кислород всего 830 кг/м³, что приводит к увеличению массовых затрат на его хранение ввиду необходимости увеличения объема баков хранения компонентов.However, methane even at a temperature of 91 K (its melting point is 90.66 K) has a low density of 455 kg / m ³ , while the methane + oxygen fuel density is only 830 kg / m ³ , which leads to an increase in mass storage costs due to the need increase the volume of component storage tanks.

Низкая плотность топлива метан+кислород и невозможность переохлаждения кислорда при использовании баков хранения компонентов топлива с совмещенными днищами ведут к тому, что для космических РБ существенно (на 20% по сравнению с керосин+кислород) снижается время возможного хранения топлива в околоземном пространстве. The low fuel density of methane + oxygen and the impossibility of overcooling of oxygen when using fuel component storage tanks with combined bottoms lead to the fact that for space RBs the time of possible storage of fuel in near-Earth space is significantly (20% compared with kerosene + oxygen).

Поскольку температура плавления метана выше температуры кипения кислорода при давлении 1 ата (т.е. выше 90 К), то использование баков хранения компонентов топлива с совмещенными днищами даже для кипящего при 1 ата кислорода (а тем более при использовании переохлажденного кислорода, который кипит при более низком давлении) невозможно без использования межбаковой теплоизоляции. Since the melting point of methane is higher than the boiling point of oxygen at a pressure of 1 ata (i.e., above 90 K), the use of fuel component storage tanks with combined bottoms even for boiling oxygen at 1 ata (and even more so when using supercooled oxygen, which boils at lower pressure) is impossible without the use of inter-tank insulation.

Кроме того, поскольку бак горючего заправлен криогенным метаном, то его надо теплоизолировать от внешних теплопритоков, что дополнительно увеличивает массовые затраты на хранение топлива. In addition, since the fuel tank is charged with cryogenic methane, it must be insulated from external heat influx, which further increases the mass cost of storing fuel.

Все это ведет к существенному по сравнению с топливом керосин+кислород увеличению массы и габаритов баков хранения топлива метан+кислород, что значительно, а в некоторых случаях вплоть до нуля, снижает эффект, который можно было бы получить от более высокого удельного импульса прототипа. All this leads to a significant increase in the mass and dimensions of methane + oxygen fuel storage tanks compared to kerosene + oxygen fuel, which significantly, and in some cases up to zero, reduces the effect that could be obtained from a higher specific impulse of the prototype.

Задачей изобретения является увеличение плотности топлива и, как следствие, массовых затрат на его хранение в топливных баках. Энергетические характеристики топлива при этом не ухудшаются по сравнению с прототипом. The objective of the invention is to increase the density of fuel and, as a consequence, the massive cost of its storage in fuel tanks. The energy characteristics of the fuel while not deteriorating compared with the prototype.

Это достигается при применении топлива, содержащего горючее и окислитель, где в качестве горючего используется смесь метана и этилена с мольным содержанием метана от 5 до 25%. This is achieved by using fuels containing fuel and an oxidizing agent, where a mixture of methane and ethylene with a molar methane content of 5 to 25% is used as fuel.

При указанном содержании метана температура затвердевания такого горючего менее 90 К, т.е. при использовании в качестве окислителя, например, кипящего жидкого кислорода баки окислителя и горючего могут иметь общее днище, не покрытое теплоизоляцией. At the indicated methane content, the solidification temperature of such fuel is less than 90 K, i.e. when used as an oxidizing agent, for example, boiling liquid oxygen, the oxidizer and fuel tanks may have a common bottom that is not covered by thermal insulation.

Кроме того, предлагаемое топливо для указанного интервала мольного соотношения метан - этилен будет иметь плотность от 900 до 970 кг/см³, что сравнимо с плотностью топлива керосин+кислород, а с учетом большой теплоемкости горючего в предлагаемом топливе возможное время пребывания космических РБ в околоземном пространстве будет таким же, как при использовании топлива керосин+кислород.In addition, the proposed fuel for the indicated interval of the molar ratio of methane - ethylene will have a density of 900 to 970 kg / cm ³ , which is comparable with the density of the fuel kerosene + oxygen, and given the high heat capacity of the fuel in the proposed fuel, the possible residence time of space RB in near-Earth the space will be the same as when using kerosene + oxygen fuel.

При этом проведенные термодинамические расчеты показали, что удельный импульс продуктов истечения предлагаемого топлива будет таким же, как для топлива метан+кислород. Moreover, the thermodynamic calculations showed that the specific impulse of the products of the expiration of the proposed fuel will be the same as for methane + oxygen.

Применение предлагаемого топлива на РН среднего класса с общим запасом топлива 300 т позволит снизить массу конструкции РН по сравнению с применением топлива метан+кислород на ~ 2%, что эквивалентно увеличению массы выводимого полезного груза на ~ 6,5%. По сравнению с использованием топлива керосин+кислород масса выводимого полезного груза увеличится на ~ 7,5%. The use of the proposed fuel on a middle-class LV with a total fuel reserve of 300 tons will reduce the mass of the LV design by ~ 2% compared to the use of methane + oxygen fuel, which is equivalent to an increase in the mass of the payload by ~ 6.5%. Compared to the use of kerosene + oxygen fuel, the mass of the output payload will increase by ~ 7.5%.

Метан, как уже отмечалось выше, является основной составляющей природных газов, а этилен является широко распространенным сырьем для химической промышленности (например, при производстве полиэтилена), поэтому производство горючего для такого топлива не потребует создания новых производств и может быть освоено в достаточно короткие сроки. Methane, as noted above, is the main component of natural gases, and ethylene is a widespread raw material for the chemical industry (for example, in the production of polyethylene), so the production of fuel for such fuel does not require the creation of new industries and can be mastered in a fairly short time.

Стоимость предлагаемого топлива по оценкам будет сравнима со стоимостью топлива керосин+кислород. The cost of the proposed fuel is estimated to be comparable to the cost of fuel kerosene + oxygen.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей /в 2-х книгах/ под ред. В. М. Кудрявцева, изд. 4-е перераб. и доп. - М. "Высшая школа", 1993. - кн.1, стр.130-134.LIST OF USED LITERATURE
1. Fundamentals of the theory and calculation of liquid rocket engines / in 2 books / ed. V. M. Kudryavtseva, ed. 4th rev. and add. - M. "Higher School", 1993. - Prince 1, pp. 130-134.

2. Паушкин Я. М. Химический состав и свойства реактивных топлив. - М. Издательство академии наук СССР, 1958.- 376 с., ил. стр.302. 2. Paushkin Ya. M. Chemical composition and properties of jet fuels. - M. Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1958.- 376 p., Ill. p. 302.

3. Синярев Г.Б. Жидкостные ракетные двигатели. - М. Государственное издательство оборонной промышленности. 1955. -488 стр., ил. стр.159 - 161. 3. Sinyarev G.B. Liquid rocket engines. - M. State Publishing House of the defense industry. 1955. -488 p., Ill. pg. 159 - 161.

4. Справочник по физико-техническим основам криогеники. /М.П.Малков.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.:Энергоатомиздат, 1985, -432 с., ил. стр.217. 4. Reference on the physical and technical foundations of cryogenics. / M.P. Malkov.- 3rd ed., Revised. and add. - M.: Energoatomizdat, 1985, -432 p., Ill. p. 217.

5. Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлаждения. /И. И. Гельперин. - 2-е изд., перераб. - М. Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1963. - 512 с., ил. стр.232. 5. Handbook for the separation of gas mixtures by deep cooling. /AND. I. Gelperin. - 2nd ed., Revised. - M. State Scientific and Technical Publishing House of Chemical Literature, 1963. - 512 p., Ill. p. 232.

6. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания /в 3-х томах/ под ред. В.П. Глушко, - М. Всезоюзный институт научной и технической информации. 1968, т. 2, стр.177-308. 6. Thermodynamic and thermophysical properties of combustion products / in 3 volumes / ed. V.P. Glushko, - M. All-Union Institute of Scientific and Technical Information. 1968, vol. 2, pp. 177-308.

Claims

Fuel for liquid rocket engines containing methane-based fuel and an oxidizing agent, characterized in that a mixture of methane and ethylene with a molar methane content of 5 to 25% is used as fuel.