Перспективы применения высокобризантного топлива

Перспективы применения высокобризантного топлива.
В настоящее время в многочисленных кругах обсуждается вопрос о
нерациональности применения используемых в настоящее время видов топлива или
химических энергоносителей. В связи с этим нарастает на мой взгляд скорее
эмоциональная, чем обеспеченная практическим опытом, волна мнений о глобальном
отказе от современных углеводородного топлива. Преобладают, конечно, предложения о
переходе на экологически безвредные виды, такие, как спирты или водород. К сожалению,
постоянно остается в тени опыт применения многотопливных и газогенераторных
энергетических установок, с их помощь данный процесс не стал бы таким трудоемким.
Конечно, любой подобный процесс перестает быть «обузой» для общества, когда техника,
в которой применяются подобные устройства, достигает определенного уровня
безопасности и практичности, назовем его «сел и поехал», так же в результате этого
снимается эмоциональный барьер как у одного индивидуума, так и для общества в целом
на внедрение данного вида технологий.
В данной статье я решил проанализировать тривиальные аспекты применения не
топлива, а энергоносителей вообще. Причем во главу угла я решил поставить именно
вышеназванный аспект достижения безопасности и практичности, но область применения
была взята с размахом, это применение для передвижения в космическом пространстве.
Общеизвестно, что запас топлива ракеты носителя в настоящее время настолько
громоздок, что приходится только для вывода космического аппарата за пределы делать
её многоступенчатой, соответственно аппарат является одноразовым, на мой взгляд - это
не приемлемо. Причем в этой области применяются все передовые, непрактичные и порой
не безопасные виды топлива. Соответственно ставится тривиальный вопрос: а не низка ли
его энергоемкость? Из жидких веществ выбираем самое известное и может не самое
энергоемкое вещество – нитроглицерин, а самым энергоемким из химических носителей
на данный момент времени является четырехокись ксенона (Xe3O4), которая как раз
является жидкостью.
Взрывчатые вещества нитроглицерин и четырехокись ксенона уже известны
довольно большой промежуток времени, причем нитроглицерин является основой для
динамита, практически основной взрывчатки, используемой человеком, рассказывать о
них на мой взгляд нет необходимости. Данные вещества имеют одну примечательную
схожую характеристику, каждое из них имеют «замедлитель» или вещество, при
смешении с которым они перестают быть взрывчаткой, следственно применение их
можно сделать безопасным. Для нитроглицерина – это этиловый спирт, для четырехокиси
ксенона – вода. Если в качестве второго компонента топлива использовать вещество,
вступающее в реакцию с замедлителем и нейтрализующее его, то возможно применение
их в двигателях с традиционной двутопливной схемой. Но на мой взгляд необходимо идти
как можно дальше и попробовать применить не традиционную искровую систему
зажигания, а с помощью СВЧ-излучения. При надлежащем уровне мощности даже
присутствие замедлителя перестанет быть препятствием для детонации. Это должно нам
дать надежду на возможность использования однотопливной схемы. Чтобы увеличить
надежность системы зажигания, необходимо обеспечить минимум трехкратное
дублирование. Рассмотрим жидкостный реактивный двигатель (ЖРД) с однотопливной
схемой, чтобы не затягивать объяснения.
Так как основным энергонесущим фактором у данного вида веществ является не
давление в камере сгорания, а фронт ударной волны, нам необходимо полностью
пересмотреть традиционное устройство ЖРД. Во-первых, необходимо применение
сверхпрочных и сверхтермостойких материалов, в этой роли можно попробовать
предлагаемый мной ранее «сплав металла с наполнителем», где в качестве наполнителя
используются порошок алмаза или фианита, это фактически нанокомпозит при должной
дисперсии наполнителя. Во-вторых, оболочка двигателя должна быть многослойной и
2
иметь как минимум один сигнализационный слой. Данный слой может представлять
собой слой диэлектрического материала с встроенной матрицей проводников (сеть из
изолированных друг от друга «горизонтальных» и «вертикальных» проводников),
подсоединенных к системе контроля и останова двигателя. При прогорании или
механическом повреждении слоев оболочки произойдет так же механическое
повреждение какого-либо из проводников, а следственно его обрыв, что послужит
сигналом для схемы контроля для останова двигателя и предотвращения его взрыва.
Матрица же из них необходима для обнаружения места повреждения, возможно это
излишне, так как двигатель вряд ли будет изделием, пригодным к разборке или ремонту.
В-третьих, камера сгорания не должна иметь барьеров на пути выброса отработанных
газов, следовательно, камера сгорания и сопло будут объединены. Форма камеры
сгорания-сопла – параболоид, в фокусе которого должна производиться детонация
топлива. Возможно, конечно, что все-таки придется добавить стандартное коническое
сопло, это будет видно из практики.
На фиг. 1. представлен чертеж предлагаемого ЖРД в разрезе. В корпус двигателя 2
с камерой сгорания 1 и сигнализационным слоем 6 имеется окно 5 из диэлектрического,
прозрачного для СВЧ-излучения материала, с внешней стороны которого монтируется
система зажигания 4. Система зажигания должна обеспечивать детонацию топлива
из системы топливоподачи 3 с выходным топливопроводом 3а в фокусе параболы, которая
является продольным сечением камеры сгорания.
Система топливоподачи должна обеспечивать безопасность работы двигателя, а
соответственно должна предотвращать прохождение детонационного фронта из камеры
сгорания в емкость с топливом. Это достигается следующей конструкцией топливного
насоса (фиг.2), он состоит из последовательно включенных насоса сверхвысокого
давления 8 и двух или более дозаторов 10, работающих в противофазе. На рисунке также
показаны входной топливопровод 7 промежуточные 9, 11 и выходной 12. Конструкция
дозатора представлена на фиг. 3 , на фиг. 4 представлены его три состояния во время
работы. Дозатор 10 состоит из трех соосных, плотно прилегающих дисков 16, два из
3
которых 16а закреплены жестко, а средний 16б имеет возможность вращаться
посредством вала 18 и привода 19 системы управления двигателем. Через все три диска 16
напротив входного топливопровода 13 и выходного 14 пробито сквозное отверстие 17
состоящее из каналов во внешних дисках 17а и среднем 17б. Вся конструкция собрана
4
в корпусе 15. В настоящее время существует достаточно много технологий создания
вышеуказанных отверстия со сверхмалыми диаметрами, что обеспечит подачу топлива в
камеру сгорания в сверхмалых объемах. Так как дозаторы открываются в противофазе, то
соответственно топливо будет подаваться импульсами, причем регулируя время их и
между ними можно регулировать тягу двигателя. На фиг. 4а дозатор изображен в
открытом состоянии, диск 16б, имея возможность перемещаться в направлениях 20,
находится в положении так, чтобы отверстия 17 были совмещены. На фиг. 4б диск 16б
смещен на половину диаметра отверстия 17, уменьшая доступ топлива более чем в два ра-
за. Так как двигатель работает в импульсном режиме подачи топлива переходим к фиг. 4в,
где дозатор находится в режиме прекращения подачи топлива. Отверстия 17а и 17б
смещены относительно друг друга на расстояние своего диаметра или большее,
предотвращая поступление топлива в камеру сгорания. Хотелось бы конечно с помощью
данного дозатора достигнуть настолько малого расхода топлива , чтобы данный двигатель
можно было бы применять в качестве рулежного.
Рассмотрев аспекты конструирования ЖРД, хотелось все-таки затронуть и более
близкие к земле турбины и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Взрыв и ударная волна
требуют для работы с собой настолько механически прочные материалы, что сомневаюсь,
что при изготовлении лопаток или поршней здесь будут пригодны даже упомянутые
выше, предложенные мной, материалы. Соответственно к решению проблемы требуется
также другой подход. Предлагается на смену данных категорий двигателей выдвинуть
турбину с тривиальной радиальной крыльчаткой. Предлагаемая конструкция изображена
на фиг. 5 и имеет в своей основе уже описанную выше камеру сгорания ЖРД 21,
крыльчатку 22, соединенную с валом и выход для выхлопа 23. На рисунке крыльчатка
изображена с лекальными поверхностями, возможно здесь сказалось желание преукрасить
и поразить читателя, но на практике, возможно, будет достаточно обычных прямых
плоскостей, особенно для внутренней плоскости лопасти, в которую будет приходится
воздействие ударной волны из камеры сгорания. Данные плоскости рациональнее просто
сделать перпендикулярными направлению движения лопастей для полного
преобразования энергии взрыва во вращательное движение. Остальные, обязательные для
5
двигателей, системы, такие как охлаждение, глушитель, коробка передач и т.п. здесь не
изображены, корпус изображен тоже условно, так как я считаю их, как само собой
разумеющееся в любом двигателе, но хотелось бы уделить внимание схеме передачи
энергии движения конкретно на исполнительные механизмы. Скорость вращения вала
прогнозируется мной достаточно большой, поэтому я считаю, что целесообразно будет
применить для этого цепь преобразований «электрогенератор-проводка-электродвигатель» или «гидронасос-трубопровод-гидравлический двигатель». Данные схемы
помогут перебросить функции регулирования оборотов на электро- или гидравлический
двигатель и предоставят кучу других удобств для конструкторов. Вполне возможно, что
вышеописанный блок двигателя вместе с топливным баком, станет неремонтопригодной
частью энергоустановок и будет обслуживаться и заправляться специальной организацией
на полигоне. Кроме того, вторая схема (гидравлическая) при должной изоляции
вышеописанной части приличным слоем ферромагнитного материала должна быть
нечувствительной к электромагнитному импульсу, что оценят многие, особенно военные.
Исходя из вышеописанного можно сделать вывод, что из процесса «топки печки
динамитом», можно извлечь в перспективе приличную пользу и брать собой в дальнее
путешествие не 40 литров, как всегда, а чуть-чуть поменьше, соответственно в атмосферу
выбросы тоже обязаны сократиться, что обеспечит, возможно, своевременное улучшение
экологии и другие довольно радужные перспективы.