航空中的氢:现在用于超音速
来自澳大利亚的高超音速卫星航母。 资料来源:naked-science.ru
燃料高科技
氢是一种几乎理想的燃料,适用于大多数发动机。
例如,它为喷气发动机提供了非常高的比推力脉冲,即发动机推力与质量燃料消耗的极好比。 这是创纪录的能量强度和少量氢的直接结果。
就热值而言,这种燃料比 航空 煤油。 在燃烧室中,氢气也表现良好 - 它稳定燃烧并且不会产生有害的脉动。 工程师的一个好处是燃料的高冷却能力,这提高了发动机的性能。
当然,在我们这个完全“绿化”的时代,氢气的主要优势是它对环境的友好性——废气中含有水蒸气和少量的氮氧化物。
然而,氢仅在发动机燃烧阶段对自然友好——这种物质的生产与相当大的能源成本相关。 但稍后会详细介绍。
使用液氢与液氧配对作为燃料的想法是上世纪初由齐奥尔科夫斯基提出的。
具有上述所有优点,宇宙中最轻的物质有很多缺点。
首先,获取和液化气体的高昂成本——平均而言,一公斤氢气比一公斤最好的航空煤油贵 20-80 倍。
存储此类燃料的技术增加了困难,您根本无法将其倒入油箱中。 即使在最现代的氢气罐中,也不排除意外泄漏。 因此,起初,限制氢燃料的使用本质上是纯技术性的。
使用氢作为燃料的想法是在战后才认真考虑的——冷战和太空竞赛刚刚到来。 研究几乎同时在美国和苏联开始,但随着时间的推移,这项技术主动权传给了美国人。
国内工程师的怀疑主要与操作各种类型的氢发动机的极端危险有关。 燃料系统最轻微的减压导致氢气和氧气结合成“爆炸性气体”。 因此,在用氢测试国产火箭发动机时,至少需要在 1 米外携带控制点。
推进系统充满了 2-3 吨液态氢,在紧急情况下是地狱般的机器。
尽管如此,美国还是在 1963 年 XNUMX 月成功发射了阿特拉斯-半人马座运载火箭,这是世界上第一个拥有氢氧上级的运载火箭。
后来,航天飞机使用了类似设计的行进发动机。
在苏联,为巨型 Energia 运载火箭研制的氧氢发动机 RD-0120 最为著名。
涂155。 资料来源:edicthai.com
更接近本文的主题,苏联工程师的另一项世界成就是世界上第一架低温燃料飞机 Tu-155。
它于 15 年 1988 月 88 日与“混合”发电厂一起投入使用。 事实是,位于右侧的三台发动机中的一台已被氢 NK-XNUMX 取代。
根据参与建造独特机器的 Valery Solozobov 的回忆录评估 Tu-155 设计的复杂性:
在设计飞行实验室时,有必要大幅改变 Tu-154 的布局并解决许多复杂的技术问题。 在客舱所在的后机身中,配备了一个密封舱,并在其中安装了一个 20 立方米的低温罐。 米数米的液氢屏幕真空隔热,可长时间保持罐内温度低于-253摄氏度。
Tu-155 的开发是 Energia-Buran 计划的副产品,该计划还创造了氢发动机,尽管是火箭发动机。
在 80 年代后期,苏联计划创建一个完整的制氢工业,这就是为什么它的价格应该下降到民用运输可接受的水平。 仍然只能找到那些愿意在飞机上携带数吨液态氢登机的人——即使是最缺乏经验的乘客也记得兴登堡悲剧,它埋葬了飞艇行业多年。
结果,Tu-155 在氢气配置下进行了五次飞行,之后 NK-88 发动机重新设计用于压缩天然气。 但是,蓝色燃料的热值不再高出三倍,而仅比航空煤油高出15%。
但是在存储方面,仍然存在一些困难——储罐必须始终保持负 160 度。
然而,压缩气体并没有达到预期,飞机仍然使用煤油。
现在,某些希望与高超音速机器有关,其中氢可以以新的方式打开。
来自澳大利亚的高超音速
最新 新闻 关于氢发动机的建造来自他们没想到的地方——来自澳大利亚的 Hypersonix 发射系统,它只有三年多一点的历史。
尽管如此,开发人员正在提议以高超音速卫星运载飞机进入轨道的概念形式进行一场革命。 Delta Velos 由四台 Spartan 高超音速冲压喷气发动机提供动力。
有趣的是,对于燃烧,氢气不需要在船上供应氧气 - 必要的氧化剂以超过 M = 1 的速度从空气流中提取。 Spartan 发动机的特殊设计的空气管道将进入的空气压缩到一定程度,以至于燃烧室中注入的氢气会立即点燃。
同时,燃烧保持在超音速流动状态——这是发动机的关键参数。
几年来,来自国内 TsAGI 的专家一直在做类似的事情,作为氢冲压喷气发动机工作的一部分。
按照 Hypersonic 的说法,他们有更大的计划,毕竟 Spartan 发动机已经研发了大约 30 年,甚至进行了十几次亚轨道飞行。 显然,其他人正在对电机进行微调——我们记得,公司本身只有三年的历史。
为了使高超音速发动机投入运行,需要一个上级。 这个角色由氧-氢回旋镖执行,它在燃料耗尽后分离、展开翅膀并滑翔到基地。 一切都在埃隆马斯克的最佳传统中。
故事 只是为了高超音速Delta Velos腹部的一颗50公斤重的卫星而启动,这颗卫星将在几十公里的高度自由飞行,然后航母将返回家园。 轨迹峰值的最大速度计划为 5 到 7 马赫。
斯巴达式氢发动机。 资料来源:naked-science.ru
到目前为止,这只是一个理论,但澳大利亚人承诺明年会实际实施。
诚然,到目前为止只有微型外形——原型将是 Delta Velos 的缩小比例副本,翼展为 2,8 米。 真正的高超音速卫星载体的跨度已经达到 12 米。
如果一切顺利,首架成熟的技术演示机应该会在 2024 年飞行。 同时,该项目可能有多种开发选择——这是一个军事体现,以及能够在几个小时内穿越太平洋的民用高超音速飞机。
三角洲维洛斯。 资料来源:naked-science.ru
首先,全球“绿色”战略解释了氢的如此大胆使用——主要国家正在转向电解合成一种物质。
太阳能电池板和风力发电机被选为环保电力来源。 氢气应该成为风车强制空转平静时期的一种能量蓄能器。
他们计划从这样的存储设施中为其高超音速和极其“绿色”加油 无人机 Hypersonix 发射系统。
然而,氢在经济上仍然是不利的。
首先,未来几十年风车和太阳能电池板的高昂电力成本将无法与火力发电厂的发电竞争,更不用说国家区域发电厂和核电厂。
其次,要从水的电解中获得氢气,需要昂贵的蒸馏器——湖中的淡水不适合这种高科技。 而这也是额外的成本。
如果“绿色”氢气的生产真的变得庞大(以难以置信的成本为代价),那么在原液蒸馏后剩下的数十万吨盐水在哪里处理?
高超音速氢航天飞机项目会像疯了一样消耗燃料,会加剧这种情况吗?
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