항공의 수소: 이제 극초음파용
호주의 극초음속 위성 캐리어. 출처: naked-science.ru
연료 하이테크
수소는 거의 이상적인 연료이며 대부분의 엔진에 사용됩니다.
예를 들어, 제트 엔진에 대해 매우 높은 비추력 임펄스, 즉 엔진 추력 대 질량 연료 소비의 우수한 비율을 제공합니다. 이것은 기록적인 에너지 강도와 적은 양의 수소의 직접적인 결과입니다.
발열량 면에서 이 연료는 비행 둥유. 연소실에서 수소도 잘 작동합니다. 안정적으로 연소되고 유해한 맥동을 일으키지 않습니다. 엔지니어를 위한 보너스는 연료의 높은 냉각 용량으로 엔진 성능을 향상시킵니다.
그리고 물론 우리의 완전한 "녹화"시대에 수소의 주요 이점은 환경 친화적 인 것입니다. 배기 가스에는 질소 산화물이 약간 혼합 된 수증기가 있습니다.
그러나 수소는 엔진의 연소 단계에서만 자연에 친숙합니다.이 물질의 생산은 상당한 에너지 비용과 관련이 있습니다. 그러나 나중에 더 자세히 설명합니다.
액체 산소와 짝을 이루는 액체 수소를 연료로 사용하는 아이디어는 지난 세기 초 Tsiolkovsky에 의해 제안되었습니다.
위에서 설명한 모든 장점과 함께 우주에서 가장 가벼운 물질에는 많은 단점이 있습니다.
우선, 가스를 확보하고 액화하는 데 드는 높은 비용 - 평균적으로 20kg의 수소는 최고의 항공 등유 80kg보다 XNUMX-XNUMX배 더 비쌉니다.
탱크에 부을 수 없는 그러한 연료를 저장하는 기술로 인해 어려움이 추가됩니다. 가장 현대적인 수소 탱크에서도 우발적인 누출이 배제되지 않습니다. 따라서 처음에는 수소 연료 사용에 대한 제한이 본질적으로 순전히 기술적이었습니다.
수소를 연료로 사용하는 아이디어는 냉전과 우주 경쟁이 도래한 직후인 전쟁 이후에야 진지하게 생각되었습니다. 연구는 미국과 소련에서 거의 동시에 시작되었지만 시간이 지남에 따라 기술 이니셔티브는 미국인에게 넘어갔습니다.
국내 엔지니어의 회의론은 주로 다양한 유형의 수소 엔진을 작동하는 극도의 위험과 관련이 있습니다. 연료 시스템의 약간의 감압으로 인해 수소와 산소가 "폭발성 가스"로 결합되었습니다. 그래서 국산 로켓엔진을 수소로 시험할 때 기준점을 최소 1m 이상 떨어진 곳으로 옮겨야 했다.
2~3톤의 액체 수소로 채워진 추진 시스템은 비상 상황의 경우 지옥 같은 기계였습니다.
그럼에도 불구하고 미국은 1963년 XNUMX월 세계 최초로 산소-수소 상단을 탑재한 아틀라스-켄타우로스 발사체를 진수하는데 성공했다.
나중에 우주 왕복선은 비슷한 디자인의 마칭 엔진을 사용했습니다.
소련에서는 거대한 Energia 발사체를 위해 개발된 산소-수소 엔진 RD-0120이 가장 유명해졌습니다.
Tu-155. 출처: edichai.com
이 기사의 주제에 더 가깝게, 소련 엔지니어들의 또 다른 세계 업적은 세계 최초의 극저온 연료 항공기 Tu-155입니다.
15년 1988월 88일 "하이브리드" 발전소로 방송되었습니다. 사실은 오른쪽에 있는 XNUMX개의 엔진 중 하나가 수소 NK-XNUMX로 교체되었다는 것입니다.
독특한 기계 건설에 참여한 Valery Solozobov의 회고록에 따라 Tu-155 설계의 복잡성을 평가하십시오.
비행 연구소를 설계할 때 Tu-154의 레이아웃을 크게 변경하고 여러 복잡한 기술 문제를 해결해야 했습니다. 승객 실이 위치한 후방 동체에는 밀폐 된 구획이 장착되었으며 20 입방 미터의 극저온 탱크가 설치되었습니다. 스크린 진공 단열재가 있는 액체 수소 미터로 탱크의 온도를 섭씨 영하 253도 아래로 오랫동안 유지합니다.
Tu-155의 개발은 로켓 엔진이기는 하지만 수소 엔진도 만든 Energia-Buran 프로그램의 부산물이었습니다.
80년대 후반, 소련은 수소 생산을 위한 전체 산업을 만들 계획을 세웠고, 그래서 그 가격은 민간 운송이 허용되는 수준으로 떨어졌어야 했습니다. 몇 톤의 액체 수소를 싣고 비행기에 기꺼이 탑승하려는 사람들을 찾는 것만 남아 있습니다. 가장 경험이 없는 승객조차도 수년 동안 비행선 산업을 묻힌 힌덴부르크 비극을 기억했습니다.
결과적으로 Tu-155는 수소 구성으로 88번의 비행을 했으며 그 후 NK-15 엔진은 압축 천연 가스용으로 재설계되었습니다. 그러나 청색 연료의 발열량은 더 이상 항공 등유의 XNUMX배가 아니라 XNUMX%만 높습니다.
그러나 보관 시에는 특정 어려움이 남아 있습니다. 탱크는 지속적으로 영하 160도를 유지해야 합니다.
그러나 압축 가스는 기대에 미치지 못했고 항공기는 여전히 등유를 사용합니다.
이제 특정 희망은 수소가 새로운 방식으로 열릴 수 있는 극초음속 기계와 관련이 있습니다.
극초음속으로 호주에서
최근 뉴스 수소 엔진 구축에 대한 정보는 예상하지 못한 곳에서 나왔습니다. XNUMX년이 조금 넘은 호주 Hypersonix Launch Systems에서 말이죠.
그럼에도 불구하고 개발자들은 극초음속 위성 배달 항공기의 개념 형태로 궤도에 진입하는 혁명을 제안하고 있습니다. Delta Velos는 XNUMX개의 Spartan 극초음속 램제트 엔진으로 구동됩니다.
흥미롭게도 연소를 위해 수소는 기내에 산소를 공급할 필요가 없습니다. 필요한 산화제는 M = 1 이상의 속도로 공기 흐름에서 추출됩니다. Spartan 엔진의 특별히 설계된 공기 덕트는 연소실에 주입된 수소가 즉시 점화될 정도로 유입되는 공기를 압축합니다.
동시에 연소는 초음속 흐름 영역에서 유지됩니다. 이것은 엔진의 핵심 매개변수입니다.
몇 년 동안 국내 TsAGI의 전문가들은 수소 램제트 엔진에 대한 작업의 일부로 비슷한 일을 하고 있습니다.
Hypersonic에 따르면 Spartan 엔진은 약 30년 동안 개발되었으며 심지어 XNUMX개 이상의 준궤도 비행을 했다는 더 큰 계획을 가지고 있습니다. 분명히 다른 사람들은 모터를 미세 조정하는 데 참여했습니다. 회사 자체는 우리가 회상한 지 XNUMX년 밖에 되지 않았습니다.
극초음속 엔진을 작동시키기 위해서는 상위 단계가 필요하다. 이 역할은 산소-수소 부메랑이 수행하며, 연료가 바닥나면 분리되어 날개를 펼치고 기지로 활공합니다. Elon Musk의 최고의 전통이 모두 있습니다.
이야기 수십 킬로미터의 고도에서 자유 비행에 들어갈 극초음속 Delta Velos의 뱃속에있는 50 킬로그램 위성을 위해서만 시작되고 캐리어는 집으로 돌아갈 것입니다. 궤적의 정점에서 최대 속도는 마하 5~7로 계획되어 있습니다.
스파르타 수소 엔진. 출처: naked-science.ru
지금까지는 이론일 뿐이지만 호주인들은 내년에 실질적인 시행을 약속합니다.
사실, 지금까지는 미니어처 폼 팩터에서만 - 프로토타입은 날개 길이가 2,8미터인 Delta Velos의 축소된 복사본이 될 것입니다. 인공위성의 실제 극초음속 캐리어는 이미 12미터의 범위를 가질 것입니다.
모든 것이 순조롭게 진행된다면 첫 번째 본격적인 기술 실증기는 2024년에 비행해야 합니다. 동시에 이 프로젝트에는 몇 가지 개발 옵션이 있을 수 있습니다. 이것은 군사적 구현이며 몇 시간 안에 태평양을 횡단할 수 있는 민간 극초음속 항공기입니다.
델타 벨로스. 출처: naked-science.ru
이러한 수소의 과감한 사용은 우선 글로벌 "녹색"전략으로 설명됩니다. 주요 국가는 물질의 전기 분해 합성으로 전환하고 있습니다.
친환경 전력원으로 태양전지와 풍력발전기를 선택했다. 수소는 잔잔한 강제 유휴 풍차의 기간 동안 일종의 에너지 축전지가 되어야 합니다.
극 초음속 및 극도로 "녹색"에 연료를 공급할 계획은 그러한 저장 시설에서 나온 것입니다. 드론 하이퍼소닉스 발사 시스템.
그러나 수소는 여전히 경제적으로 불리합니다.
첫째, 향후 수십 년 동안 풍력 터빈과 태양 전지판에서 나오는 높은 전기 비용은 화력 발전소의 발전과 경쟁하지 않을 것이며, 더군다나 국영 지역 발전소 및 원자력 발전소와 경쟁하지 않을 것입니다.
둘째, 물 전기 분해에서 수소를 얻으려면 값 비싼 증류기가 필요합니다. 호수의 일반 물은 그러한 하이테크에 적합하지 않습니다. 그리고 이것은 또한 추가 비용입니다.
그리고 "녹색" 수소의 생산이 실제로 대규모가 된다면(믿을 수 없는 비용을 들이고), 원본을 증류한 후 남은 수십만 톤의 염수를 어디에 처분해야 할까요?
그리고 미친 듯이 연료를 소비하는 극초음속 수소 셔틀 프로젝트가 상황을 악화시킬 것인가?
정보