RU2180050C2 - Propellant for liquid-propellant rocket engines - Google Patents
Propellant for liquid-propellant rocket engines Download PDFInfo
- Publication number
- RU2180050C2 RU2180050C2 RU2000111092A RU2000111092A RU2180050C2 RU 2180050 C2 RU2180050 C2 RU 2180050C2 RU 2000111092 A RU2000111092 A RU 2000111092A RU 2000111092 A RU2000111092 A RU 2000111092A RU 2180050 C2 RU2180050 C2 RU 2180050C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- propellant
- methane
- oxygen
- mass
- Prior art date
Links
- 239000003380 propellant Substances 0.000 title abstract description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 5
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 51
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 25
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 25
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 25
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 abstract description 19
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- XTEXMYNJEMCTNI-UHFFFAOYSA-N ethene;methane Chemical group C.C=C XTEXMYNJEMCTNI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
Abstract
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 (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000111092A RU2180050C2 (en) | 2000-05-03 | 2000-05-03 | Propellant for liquid-propellant rocket engines |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000111092A RU2180050C2 (en) | 2000-05-03 | 2000-05-03 | Propellant for liquid-propellant rocket engines |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2180050C2 true RU2180050C2 (en) | 2002-02-27 |
Family
ID=20234198
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000111092A RU2180050C2 (en) | 2000-05-03 | 2000-05-03 | Propellant for liquid-propellant rocket engines |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2180050C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2233385C2 (en) * | 2002-10-01 | 2004-07-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт органического синтеза" | Propellant for liquid propellant rocket engines |
RU2358142C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-06-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method for compensation of fuel physical properties differences in universal generator-free liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine (versions) |
CN113277925A (en) * | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 山东非金属材料研究所 | Method for purifying liquid methane propellant sulfide |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2970428A (en) * | 1952-10-25 | 1961-02-07 | Standard Oil Co | Trithioborate rocket fuel |
US2989388A (en) * | 1958-03-17 | 1961-06-20 | Ohio Commw Eng Co | Fuel and propellant composition |
US2993335A (en) * | 1956-09-13 | 1961-07-25 | Phillips Petroleum Co | Reaction motor fuel |
US3352109A (en) * | 1966-05-04 | 1967-11-14 | Petrolite Corp | Hybrid thixotropic rocket and jet fuels comprising oil in water emulsions |
SU1425197A1 (en) * | 1980-11-25 | 1988-09-23 | Визкумны Устав Пре Петрохемиу,Новаки (Инопредприятие) | Method of producing hydrocarbon fuel |
RU2128684C1 (en) * | 1996-10-15 | 1999-04-10 | Предприятие "Комплексные исследования в инженерии (КИВИ)" | Fuel |
-
2000
- 2000-05-03 RU RU2000111092A patent/RU2180050C2/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2970428A (en) * | 1952-10-25 | 1961-02-07 | Standard Oil Co | Trithioborate rocket fuel |
US2993335A (en) * | 1956-09-13 | 1961-07-25 | Phillips Petroleum Co | Reaction motor fuel |
US2989388A (en) * | 1958-03-17 | 1961-06-20 | Ohio Commw Eng Co | Fuel and propellant composition |
US3352109A (en) * | 1966-05-04 | 1967-11-14 | Petrolite Corp | Hybrid thixotropic rocket and jet fuels comprising oil in water emulsions |
SU1425197A1 (en) * | 1980-11-25 | 1988-09-23 | Визкумны Устав Пре Петрохемиу,Новаки (Инопредприятие) | Method of producing hydrocarbon fuel |
RU2128684C1 (en) * | 1996-10-15 | 1999-04-10 | Предприятие "Комплексные исследования в инженерии (КИВИ)" | Fuel |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ПАУШКИН Я.М. Химический состав и свойства реактивных топлив. - М.: Издательство академии наук СССР, 1958, с. 302. КУДРЯВЦЕВ В.М., Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. - М.: Высшая школа, 1993, с. 130-134. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2233385C2 (en) * | 2002-10-01 | 2004-07-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт органического синтеза" | Propellant for liquid propellant rocket engines |
RU2358142C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-06-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method for compensation of fuel physical properties differences in universal generator-free liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine (versions) |
CN113277925A (en) * | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 山东非金属材料研究所 | Method for purifying liquid methane propellant sulfide |
CN113277925B (en) * | 2021-05-13 | 2022-05-24 | 山东非金属材料研究所 | Method for purifying liquid methane propellant sulfide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3232725A (en) | Method of storing natural gas for transport | |
US3950958A (en) | Refrigerated underground storage and tempering system for compressed gas received as a cryogenic liquid | |
US3848427A (en) | Storage of gas in underground excavation | |
US6101808A (en) | Cryogenic solid hybrid rocket engine and method of propelling a rocket | |
US2897657A (en) | Storage and transportation of liquefied gas | |
Amri et al. | Numerical study of liquid propellants combustion for space applications | |
Chorowski et al. | LNG systems for natural gas propelled ships | |
US3535885A (en) | Method of transporting natural gas | |
RU2180050C2 (en) | Propellant for liquid-propellant rocket engines | |
US5900515A (en) | High energy density storage of methane in light hydrocarbon solutions | |
Bates et al. | Heat transfer and deposition behavior of hydrocarbon rocket fuels | |
Tomasz Włodek MSc | Prediction of boil off rate in liquefied natural gas storage processes | |
RU2146334C1 (en) | Method of increasing specific impulse of liquid- propellant rocket engine and rocket engine installation for implementing this method | |
US3380250A (en) | Bi-propellant rocket system | |
US3170281A (en) | Method of producing thrust by hydrogenation of an acetylenic hydrocarbon | |
US2929221A (en) | Method and apparatus for the transportation of liquefied petroleum products | |
RU2004133348A (en) | METHOD FOR PRODUCING CRYOGENIC, MONERGOLIC SOLID FUEL AND PRODUCED BY SUCH METHOD OF FUEL | |
Karabeyoglu | Mixtures of nitrous oxide and oxygen (nytrox) as oxidizers for rocket propulsion applications | |
Thakur et al. | A review of cryogenic rocket engine | |
Wang et al. | Model and experimental data research of natural gas storage for vehicular usage | |
Huff et al. | Theoretical Performance of JP-4 Fuel and Liquid Oxygen as a Rocket Propellant: II. Equilibrium Composition | |
Bloom Jr et al. | Hydrogen peroxide as a propellant | |
Carpenter | Fuels and Oxidizers of the Future | |
GARG et al. | Cryogenic Technology & Rocket Engines | |
Max et al. | Methane Hydrate Fuel Storage for All‐Electric Ships: An Opportunity for Technological Innovation |