Using helium in liquid rocket engines

Abstract

Введение. Инертный газ гелий в настоящее время широко применя-ется в двигательных установках с жидкостными ракетными двигателя-ми (ЖРД) [1]. Такие качества гелия, как малая мольная масса (0,004 кг/моль) и хорошие охлаждающие свойства (при Т = 1000 К удельная теплоемкость с р = 5,18 кДж/(кг⋅К)), позволяют использовать этот газ в современных двигательных установках с ЖРД и в перспек-тивных разработках. В жидком состоянии гелий является криогенным компонентом [2, 3].В настоящее время гелий применяют преимущественно в газо-баллонных вытеснительных системах подачи для вытеснения компо-нентов в жидкостный газогенератор, наддува баков с компонентами, а также как рабочее тело газовой автоматики. К вытесняющим газам обычно относят воздух, азот или гелий, но предпочтение отдают ге-лию, поскольку он имеет бîльшее значение комплекса RT, обладая меньшей молекулярной массой при одинаковых условиях.Вследствие малой мольной массы гелий характеризуется в не-сколько раз высшей скоростью звука, в отличие от других газов (кроме водорода), что обеспечивает высокую скорость срабатыванияИнженерный журнал: наука и инновации # 1·2017 агрегатов автоматических систем управления, если использовать для их привода газообразный гелий. В настоящее время считается технически неоправданным хране-ние гелия в жидком состоянии на борту летательного аппарата (ЛА). При вытеснении компонентов из топливных баков, а также при над-дуве баков существенное значение имеет плотность используемого газа, т. е. его удельный объем, поскольку он должен быть как можно больше. Поэтому в некоторых двигательных установках (например, космического корабля «Аполлон») используют теплообменники-нагреватели для повышения температуры, а значит, увеличения удель-ного объема гелия.Отметим, что в отличие от температуры азота температура гелия повышается при его дросселировании. При этом наблюдается эффект Джоуля -Томпсона (эффект «мятия»), заключающийся в снижении или повышении температуры реального газа при адиабатном (без энергообмена с окружающей средой) дросселировании, т. е. преодо-лении сил трения в местном сопротивлении с неизбежной диссипа-цией энергии и ростом энтропии. В газожидкостных системах ракет-ного двигателя таким примером местного сопротивления являются автоматические редукторы и обратные клапаны, дроссельные шайбы или жиклеры и аналогичные проточные элементы, через которые проходит газ, претерпевая общее снижение статического и полного давления.В технически реальных диапазонах давления и температуры адиабатическое дросселирование гелия сопровождается нагревом га-за, а дросселирование азота приводит к интенсивному охлаждению.Вместе с тем вследствие малого размера молекул гелий может проникать через металл, если его температура выше 700…800 К (500…600 °С). Указанные значения температуры служат границей, за которой требуются специальные конструктивные меры для исполь-зования гелия в ЖРД.На современном этапе развития пилотируемой космонавтики большое значение имеют двигательные установки с вытеснительной системой подачи как наиболее надежные по сравнению с оснащ...