¿Es tóxico el combustible utilizado para lanzar cohetes?

Respuesta: Los oxidantes líquidos de uso común incluyen oxígeno líquido, tetróxido de dinitrógeno, etc., y los agentes de combustión incluyen hidrógeno líquido, dimetilhidrazina imparcial, queroseno, etc. Los cohetes modernos de combustible líquido fueron desarrollados por el estadounidense Goddard: el primero utilizó oxígeno líquido y queroseno.

El combustible para cohetes utilizado para lanzar satélites debe ser de tamaño pequeño y ligero, pero debe emitir grandes cantidades de calor. Esto puede reducir el peso del cohete y permitir que el satélite se ponga rápidamente en órbita. . El combustible líquido libera mucha energía y genera mucho empuje; es más fácil de controlar y tiene un tiempo de combustión más prolongado. Por lo tanto, la mayoría de los cohetes que lanzan satélites utilizan combustible líquido.

El motor de cohete líquido se refiere a un motor de cohete químico con propulsor líquido. Los oxidantes y los agentes de combustión deben almacenarse en tanques separados. Los motores de cohetes líquidos generalmente constan de una cámara de empuje, un sistema de suministro de propulsor y un sistema de control del motor. La cámara de empuje es un componente importante que convierte la energía química del propulsor líquido en propulsión. Consta de boquilla propulsora, cámara de combustión, conjunto de boquilla, etc. El propulsor se inyecta en la cámara de combustión a través del inyector y se atomiza, se evapora, se mezcla y se quema para generar productos de combustión, que salen corriendo de la boquilla a alta velocidad (2500-5000 metros/segundo) para generar empuje. La presión en la cámara de combustión puede alcanzar 2O0 atmósferas (aproximadamente 20OMPa) y la temperatura es de 300O~400O℃, por lo que se requiere enfriamiento. La función del sistema de suministro de propulsor es entregar propulsor a la cámara de combustión al caudal y presión requeridos. Según los diferentes métodos de entrega, existen dos tipos de sistemas de suministro: tipo extrusión (tipo neumático) y tipo bomba de presión. El sistema de suministro de extrusión utiliza gas a alta presión para ser descomprimido por un reductor de presión (el caudal de oxidante y agente combustible está controlado por la presión establecida por el reductor de presión) en los tanques de almacenamiento de oxidante y agente combustible, y luego los exprime en la cámara de combustión respectivamente. Los sistemas de suministro comprimido sólo se utilizan para motores de bajo empuje. Los motores de alto empuje utilizan un sistema de suministro de bomba, que utiliza una bomba hidráulica para suministrar propulsor. La función del sistema de control del motor es regular y controlar los procedimientos y parámetros de trabajo del motor. El procedimiento de trabajo incluye el arranque y funcionamiento del motor. Hay tres etapas de apagado. Este proceso se lleva a cabo automáticamente según un procedimiento predeterminado. Los parámetros de trabajo se refieren principalmente a la relación de mezcla de empuje y propulsor. Las ventajas de los motores de cohetes líquidos son un alto impulso específico (250 a 500 segundos), un amplio rango de empuje (un solo empuje varía de 1 gramo de fuerza a 700 toneladas de fuerza), la capacidad de arrancar repetidamente, la capacidad de controlar el empuje y largas jornadas de trabajo.

Propulsores líquidos para cohetes, los más utilizados son: tetróxido de dinitrógeno-hidrazinas (dimetilhidrazina uniforme, monometilhidrazina, hidrazina), oxígeno líquido-queroseno, hidrógeno líquido-oxígeno líquido espera.

Los propulsores de tetróxido de dinitrógeno-hidrazina son muy utilizados y se caracterizan por ser almacenables, autoinflamables al contacto entre el tetróxido de dinitrógeno y la hidracina, y son altamente fiables. El tetróxido de nitrógeno-hidrazina se utilizó por primera vez en misiles estratégicos y más tarde en vehículos de lanzamiento aeroespaciales.

SS-7 soviético, SS-18 activo, SS-19, Hércules estadounidense, cohetes chinos Long March 1, 2, 3, cohetes rusos Proton, cohetes Ariane 1, 2, Tipo 3 y Tipo 4, todos utilice propulsor de tetróxido de dinitrógeno-hidrazina en la etapa inferior.

El impulso específico del tetróxido de dinitrógeno-hidrazina está bien, unos 230 segundos, pero el propulsor y los productos de la combustión son muy tóxicos y ya no se utilizan en la nueva generación de vehículos de lanzamiento en varios países.

Hable sobre el avanzado motor de cohete de oxígeno líquido (queroseno) Zhang Guitian

La tecnología aeroespacial es una de las tecnologías de vanguardia de más rápido crecimiento en la ciencia y la tecnología modernas. factor en el nivel científico y tecnológico de un país y en la economía nacional. El reflejo integral de la fuerza es un símbolo importante del nivel científico y tecnológico de un país y un símbolo de la fuerza nacional integral. La tecnología aeroespacial está altamente integrada con muchas ciencias básicas y nuevas tecnologías, como las matemáticas, la mecánica moderna, el control automático, las computadoras electrónicas, la tecnología criogénica y de vacío, etc. Su desarrollo ha promovido el desarrollo de una gran cantidad de ciencias básicas y tecnologías modernas. como nuevos materiales, física espacial, medicina aeroespacial, ciencias de la vida, etc. El desarrollo de la tecnología aeroespacial y la aplicación del entorno espacial han dado lugar a una serie de innovaciones tecnológicas inesperadas.

El motor del cohete es el corazón del vehículo de lanzamiento. Sus características avanzadas son de bajo costo, libres de contaminación, altamente confiables, de alto rendimiento, seguras de usar y fáciles de operar. Las ventajas del motor de cohete de oxígeno líquido/queroseno como dispositivo portador de energía son: en primer lugar, el queroseno es un propulsor de temperatura normal, que es extremadamente cómodo de usar y seguro, mientras que el metano, el propano y el hidrógeno líquido son propulsores de baja temperatura que son difíciles de almacenar, transportar y procesar, es incómodo de inyectar y operar, y es fácil incendiarse y explotar después de una fuga. En particular, el hidrógeno líquido es fácil de filtrar. En segundo lugar, el queroseno es barato. El precio por kilogramo de queroseno es sólo 1/100 de hidrógeno líquido y 1/30 de dimetilhidrazina unimonio, lo que puede reducir significativamente los costos de desarrollo de motores y los costos de lanzamiento de vehículos. Para lanzar una carga útil de 20T en órbita baja, por ejemplo, el costo del propulsor de una solución semipropulsora de dos etapas compuesta de hidrógeno líquido/oxígeno líquido y tetróxido de dinitrógeno/dimetilhidrazina uniforme costaría 30 millones de yuanes, mientras que la solución completa de oxígeno líquido/queroseno Sólo costaría 30 millones de yuanes. Se requiere una tarifa de propulsor de 1 millón de yuanes. En tercer lugar, la combinación de oxígeno líquido y queroseno tiene una alta densidad específica, lo que lo convierte en un motor ideal de etapa inferior (etapa de impulso y primera etapa central). Con ligeras mejoras, también se puede utilizar como motor ideal de etapa superior. Cuarto, mi país es rico en recursos de queroseno y tiene enormes reservas que pueden satisfacer las necesidades a largo plazo. El queroseno extraído en el yacimiento petrolífero de Karamay en mi país es un petróleo crudo nafténico medio con bajo punto de congelación, que cumple plenamente con los estándares para el queroseno utilizado en los propulsores de cohetes. Se ha descubierto que la reserva es de más de 500 millones de toneladas sobre la base de una producción anual. Con un volumen de 2 millones de toneladas, se puede extraer continuamente durante más de 50 años y, al mismo tiempo, los campos petroleros de Heihushan, Liaohe, Shengli y otros de mi país tienen abundantes reservas de petróleo crudo que cumplen con los requisitos. Varias pruebas de investigación y el éxito de dos pruebas en caliente con motores de oxígeno líquido/queroseno han demostrado plenamente que el queroseno doméstico puede cumplir plenamente con los requisitos de uso. En quinto lugar, el uso de motores de oxígeno líquido/queroseno puede eliminar por completo las graves deficiencias del tetróxido de dinitrógeno/dimetilhidrazina uniforme, que es tóxico y contamina el medio ambiente. En sexto lugar, el motor de oxígeno líquido/queroseno puede realizar el diseño de bloque de construcción modular del vehículo de lanzamiento. Se pueden usar diferentes combinaciones para completar las tareas de lanzamiento de diferentes cargas, lo que puede formar una nueva generación de series de vehículos de lanzamiento en mi país. Las ventajas anteriores reflejan los requisitos y la dirección de desarrollo de los sistemas de energía avanzados.

Después de casi 10 años de demostración técnica, investigación y tecnología clave sobre el sistema de energía de grandes vehículos de lanzamiento y sistemas de transporte espacio-tierra, el país ha decidido desarrollar un oxígeno líquido/queroseno de alta motor de combustión suplementaria de presión, que ha sido incluido en el plan "863". Esta es sin duda una medida importante para mejorar el nivel de la tecnología aeroespacial de mi país, y también es una medida acertada para acelerar el proceso de industrialización de los vehículos de lanzamiento de mi país.

En los últimos años, he participado y soy responsable del trabajo de demostración del sistema de energía de grandes vehículos de lanzamiento y sistemas de transporte espacio-tierra, así como de la investigación preliminar y el trabajo de investigación de tecnologías clave. del motor de oxígeno líquido/queroseno "863". A juzgar por el progreso del trabajo en los últimos años, el motor de combustión suplementaria de alta presión de oxígeno líquido/queroseno tiene una tecnología muy avanzada y representa el nivel más alto en el campo de los motores de cohetes líquidos en la actualidad. Su avance se refleja en los siguientes aspectos: p>

1. Sistema avanzado de circulación cerrada. El sistema aprovecha todo el potencial químico del combustible. El motor de postcombustión también se denomina motor de combustión por etapas. Este sistema primero quema un grupo de elementos propulsores en una cámara de precombustión con combustión rica en oxígeno (o rica en combustión) para generar gas de baja temperatura y gran flujo para impulsar la turbina. y luego quema el gas trabajado introducido en la cámara de combustión para una combustión completa. Evita la pérdida de energía del escape de la turbina en un sistema de ciclo abierto (ver Figura 2: Sistema de ciclo abierto; Figura 3: Sistema de ciclo cerrado). Los motores de ciclo cerrado pueden aumentar significativamente la presión de la cámara de combustión, mejorando así la eficiencia de la combustión. Sólo el uso de un sistema de ciclo cerrado puede aumentar el impulso específico en más del 6%. Para un cohete de dos etapas y media, cuando la masa de despegue es la misma, la carga útil se puede aumentar en más del 30%; si la carga útil es la misma, se puede reducir el peso de despegue del vehículo de lanzamiento; en un 20%. Esto reduce el costo del ciclo de vida de lanzar una carga útil de 1 kg en aproximadamente un 16 %. Utilizando este tipo de máquina de prueba de motores, se realizaron dos pruebas de motores de combustión suplementaria de alta presión de sistema completo entre diciembre de 1995 y enero de 1996. Su empuje de vacío fue de 85 T, el impulso específico de vacío fue de 3500 m/s y la relación de mezcla K fue de 2,34. -- Entre 2.6.

2. Inyector mezclador de cámara de combustión avanzado. En el sistema de ciclo de combustión suplementario, todo el oxidante se vaporiza en la cámara de precombustión y luego ingresa a la cámara de combustión para la combustión. Esto logra dos conjuntos de combustión gas-líquido que mejora en gran medida la estabilidad de la combustión del motor.

Para mejorar aún más la estabilidad de la combustión, el inyector está dividido en varias áreas con boquillas de diferentes longitudes. La boquilla de gas-líquido es del tipo de mezcla interna coaxial con una longitud de 1/4 de longitud de onda, formando cientos de pequeñas cavidades de sonido, que. puede atenuar eficazmente la oscilación; además, se instala un dispositivo de rectificación aguas arriba de la cámara de combustión para rectificar el escape irregular de la turbina e introducirlo en la cámara de combustión. El sistema de ciclo de combustión suplementario de alta presión no sólo ayuda a resolver el problema técnico clave de la combustión inestable, sino que también mejora en gran medida la eficiencia de la combustión. Realizamos una prueba de atomización mixta en el inyector y una prueba en caliente en el motor. Los resultados de la prueba mostraron que la eficiencia de combustión del sistema de ciclo de combustión suplementario de alta presión es tan alta como 0,98.

3. Medidas avanzadas e inteligentes de refrigeración de la cámara de combustión. La cuestión del uso de queroseno como refrigerante se debate desde hace décadas. Después de numerosas pruebas de transferencia de calor y análisis de cálculo, se ha demostrado que se puede solucionar completamente tomando las medidas adecuadas. Después de dos pruebas con queroseno Karamay como combustible, el tiempo de trabajo fue de 10 segundos y 50 segundos respectivamente. Después de dos pruebas, la cámara de combustión estaba intacta y suave como antes, lo que indica que es completamente factible usar queroseno como refrigerante del motor. El efecto es bastante ideal. Se han tomado una serie de medidas en el diseño de la estructura de refrigeración de la cámara de combustión: En primer lugar, se establecen tres zonas de refrigeración delante de la garganta, con un caudal del 2 al 3% del flujo total de propulsor cuando se trata de queroseno. entra a la cámara de combustión, gira hacia arriba contra la pared. En segundo lugar, la boquilla de la cámara de combustión utiliza una ranura de enfriamiento en espiral desde la sección con una relación de expansión de 8 a la sección cilíndrica, y la ranura de enfriamiento cerca de la garganta se procesa en forma ondulada; para mejorar su efecto de enfriamiento, que puede reducir la temperatura de la pared interna en aproximadamente 40 °C. En tercer lugar, el queroseno de baja temperatura ingresa al tanque de enfriamiento desde la sección de convergencia y primero enfría el área de la garganta con el mayor flujo de calor. de la diferencia de temperatura de 40°C. Además de las medidas anteriores, colocar una capa resistente al calor de níquel-cromo en la pared interior puede reducir la temperatura de la pared de gas entre 30 y 40 °C y seleccionar materiales de pared interior con buena conductividad térmica. Las medidas anteriores han sido probadas en caliente y han demostrado ser muy efectivas.

4. Sellado fiable y diverso. Cada componente del motor debe soportar ambientes de alta y baja temperatura de -200°C a 3500°C y presiones de 150 a 500 atmósferas. En un ambiente de fuerte vibración, el problema de sellado del motor es un problema fatal. La estructura de sellado correspondiente debe diseñarse de acuerdo con las condiciones locales. Antiguamente utilizábamos una estructura con juntas o "O" rings de diferentes materiales entre bridas para uniones de tuberías de diámetro mediano y pequeño, la mayoría utilizaba una estructura de boca acampanada con cabeza esférica. Esta estructura de sellado hacia atrás está lejos de cumplir con los requisitos de motores avanzados de alto rendimiento y alta confiabilidad. Para ello, hemos realizado investigaciones y pruebas en una variedad de estructuras de sellado. El oxígeno líquido a baja temperatura está sellado con anillos tipo "К" y "Э", el sello de gas a alta temperatura usa una junta tipo disco y el sello de líquido y gas a alta presión usa una cabeza esférica más una guía, y Se agregan ranuras a la cabeza de bola y se agregan sellos "" de diferentes materiales. La junta tórica tiene la presión de aire adecuada y no tendrá fugas. El sello de la turbobomba es más importante para adaptarse a las múltiples operaciones del motor, evitar la fricción y la generación de calor y reducir el desgaste, se adopta un sello de rotura. Cuando la turbina no gira, es un sello estático. Cuando la velocidad de la bomba de la turbina alcanza un valor predeterminado, la presión se controla para desactivar el sello. Esta forma de sellado avanzada mejora en gran medida la confiabilidad y la vida útil.

5. Bomba de turbina de prepresión avanzada. Para que la bomba de turbina principal funcione normalmente y evitar la cavitación, es necesario asegurarse de que exista una cierta presión en la entrada de la bomba. Si el requisito de presión de entrada de la bomba es alto, se debe aumentar la presión del tanque del cohete, lo que aumentará el peso de la estructura del tanque del vehículo de lanzamiento. Para reducir el peso de la estructura del cohete y mejorar la capacidad de carga, la presión de entrada de la bomba debe reducirse tanto como sea posible. Para ello, delante de la bomba principal se instala un juego de bombas de turbina de presión previa. Se extrae una corriente de gas rico en oxígeno de la parte posterior de la turbina principal como fluido de trabajo de la bomba de turbina de prepresión del oxidante para impulsar la turbina y luego se descarga en la corriente principal del oxidante. Extraído de detrás de la bomba de queroseno principal se utiliza como fluido de trabajo de la bomba de turbina de prepresión de queroseno. Gire la turbina y luego descárguela en el flujo principal después de la bomba de prepresión. Este sistema de bomba de turbina de prepresión tiene ideas de diseño novedosas y una estructura ingeniosa, especialmente porque el gas rico en oxígeno ingresa a la corriente principal de oxígeno líquido después de la operación, este concepto de diseño es muy audaz e ingenioso. En la actualidad, la bomba de turbina de prepresión se ha sometido a una gran cantidad de pruebas de flujo de líquido en frío y la prueba en caliente del motor se ha realizado con éxito. El uso de la estructura de la bomba de prepresión puede aumentar la presión frontal de la bomba principal. 6 atmósferas, mientras que la presión del tanque es de sólo 2 atmósferas.

6. Soporte elástico avanzado. El motor es la principal fuente de vibraciones de todo el vehículo de lanzamiento.

Durante el funcionamiento, todas las partes del motor están sujetas a fuertes vibraciones, incluidas las de alta y baja frecuencia. La aceleración de algunas partes puede llegar a decenas de g o incluso cientos de g. Por tanto, la forma de conexión y fijación de cada componente es un tema muy crítico. Por ejemplo, si una válvula de gran masa se conecta a una tubería con un diámetro de varios milímetros o más de diez milímetros, debe soportar vibraciones severas y se debe adoptar un método científico en el diseño. El efecto antivibración de los soportes completamente fijados no es bueno, pero el uso de soportes elásticos adecuados no solo reduce la magnitud de la vibración, sino que también ayuda a resolver el problema de vibración de componentes y motores. Además, para resistir la vibración y evitar que se afloje, se debe aplicar pegamento al apretar cada sujetador. Especialmente en el sistema de transporte espacio-tierra y en los vehículos tripulados, debido a los extremadamente altos requisitos de confiabilidad de los vehículos, la cuestión de la antivibración y el antiaflojamiento es de gran importancia y debe garantizarse que sea infalible. Para ello, hemos realizado una gran cantidad de experimentos de investigación