El peróxido de hidrógeno H 2 O 2 es un líquido transparente e incoloro, notablemente más viscoso que el agua, con un olor característico, aunque débil. El peróxido de hidrógeno anhidro es difícil de obtener y almacenar, y es demasiado caro para usarlo como combustible para cohetes. En general, el alto costo es una de las principales desventajas del peróxido de hidrógeno. Pero, en comparación con otros agentes oxidantes, es más conveniente y menos peligroso de manejar.
Tradicionalmente se exagera la propensión del peróxido a la descomposición espontánea. Aunque observamos una disminución de la concentración del 90% al 65% durante dos años de almacenamiento en botellas de polietileno de un litro a temperatura ambiente, pero en volúmenes mayores y en recipientes más adecuados (por ejemplo, en un barril de 200 litros de aluminio bastante puro) , una tasa de descomposición del 90% del peróxido sería inferior al 0,1% anual.
La densidad del peróxido de hidrógeno anhidro supera los 1450 kg/m 3 , muy superior a la del oxígeno líquido y ligeramente inferior a la de los oxidantes del ácido nítrico. Desafortunadamente, las impurezas del agua lo reducen rápidamente, de modo que una solución al 90 % tiene una densidad de 1380 kg/m 3 a temperatura ambiente, pero sigue siendo un muy buen indicador.
El peróxido en LRE se puede usar como combustible unitario y como agente oxidante, por ejemplo, combinado con queroseno o alcohol. Ni el queroseno ni el alcohol se encienden por sí mismos con el peróxido y, para garantizar la ignición, se debe agregar al combustible un catalizador de descomposición del peróxido; luego, el calor liberado es suficiente para la ignición. Para el alcohol, el acetato de manganeso (II) es un catalizador adecuado. Para el queroseno, también existen aditivos apropiados, pero su composición se mantiene en secreto.
El uso de peróxido como combustible unitario está limitado por sus características de energía relativamente baja. Por lo tanto, el impulso específico alcanzable en el vacío para peróxido al 85 % es solo de aproximadamente 1300...1500 m/s (para diferentes grados de expansión), y para el 98 % es de aproximadamente 1600...1800 m/s. Sin embargo, el peróxido fue utilizado por primera vez por los estadounidenses para orientar el vehículo de descenso de la nave espacial Mercury, luego, con el mismo propósito, por los diseñadores soviéticos en la nave espacial Soyuz. Además, el peróxido de hidrógeno se utiliza como combustible auxiliar para impulsar TNA, por primera vez en el cohete V-2 y luego en sus "descendientes", hasta R-7. Todas las modificaciones de los "sietes", incluidas las más modernas, todavía usan peróxido para impulsar la TNA.
Como agente oxidante, el peróxido de hidrógeno es efectivo con varios combustibles. Aunque da un impulso específico más bajo que el oxígeno líquido, pero cuando se usa peróxido de alta concentración, los valores de SI superan a los de los oxidantes de ácido nítrico con los mismos combustibles. De todos los vehículos de lanzamiento espacial, solo uno usó peróxido (junto con queroseno): el inglés "Black Arrow". Los parámetros de sus motores eran modestos -el IR de los motores de la primera etapa superaba ligeramente los 2200 m/s cerca del suelo y los 2500 m/s en el vacío- ya que este cohete utilizaba solo una concentración de peróxido del 85%. Esto se hizo debido al hecho de que el peróxido se descompuso en un catalizador de plata para asegurar la autoignición. Un peróxido más concentrado habría derretido la plata.
A pesar de que el interés por el peróxido se activa de vez en cuando, sus perspectivas siguen siendo vagas. Entonces, aunque el motor de cohete de propulsante líquido soviético RD-502 (par de combustible - peróxido más pentaborano) demostró un impulso específico de 3680 m / s, siguió siendo experimental.
En nuestros proyectos, también nos enfocamos en el peróxido porque los motores que lo contienen resultan ser "más fríos" que motores similares con la misma interfaz de usuario, pero con otros combustibles. Por ejemplo, los productos de combustión del combustible "caramelo" tienen una temperatura casi 800° más alta con el mismo RI alcanzable. Esto se debe a la gran cantidad de agua en los productos de reacción de peróxido y, como resultado, al bajo peso molecular medio de los productos de reacción.

Al autor le gustaría dedicar este estudio a una sustancia bien conocida. La sustancia que le dio al mundo Marilyn Monroe e hilos blancos, antisépticos y agentes espumantes, pegamento epoxi y un reactivo de sangre, e incluso utilizada por los acuaristas para refrescar el agua y limpiar el acuario. Estamos hablando de peróxido de hidrógeno, o más bien, de un aspecto de su uso: de su carrera militar.

Pero antes de pasar a la parte principal, el autor quisiera aclarar dos puntos. El primero es el título del artículo. Había muchas opciones, pero al final se decidió usar el título de una de las publicaciones escritas por el ingeniero-capitán de segundo rango L.S. Shapiro, como corresponde más claramente no solo al contenido, sino también a las circunstancias que acompañaron la introducción del peróxido de hidrógeno en la práctica militar.

En segundo lugar, ¿por qué se interesó el autor en esta sustancia en particular? Más precisamente, ¿en qué le interesaba exactamente? Por extraño que parezca, su destino completamente paradójico en el campo militar. Es que el agua oxigenada tiene toda una gama de cualidades que, al parecer, le auguran una brillante carrera militar. Y por otro lado, todas estas cualidades resultaron ser completamente inaplicables para usarlo como suministro militar. Bueno, no por llamarlo absolutamente inutilizable, por el contrario, se usó, y bastante ampliamente. Pero por otro lado, nada extraordinario resultó de estos intentos: el peróxido de hidrógeno no puede presumir de un historial tan impresionante como los nitratos o los hidrocarburos. Resultó ser culpa de todo... Sin embargo, no nos apresuremos. Veamos solo algunos de los momentos más interesantes y dramáticos del peróxido militar, y cada uno de los lectores sacará sus propias conclusiones. Y dado que cada historia tiene su comienzo, conozcamos las circunstancias del nacimiento del héroe de la historia.

El descubrimiento del profesor Tenard...

Fuera de la ventana había un claro y helado día de diciembre de 1818. Un grupo de estudiantes de química de la Ecole Polytechnique de París llenó apresuradamente el auditorio. No había gente que deseara perderse la conferencia del famoso profesor de la escuela y el famoso Sorbonne (Universidad de París) Jean Louis Tenard: cada una de sus clases fue un viaje inusual y emocionante al mundo de la ciencia asombrosa. Y así, abriendo la puerta, el profesor entró en el salón de actos con paso ligero y elástico (un homenaje a los antepasados ​​gascones).

Asintiendo por costumbre a la audiencia, rápidamente se acercó a la larga mesa de demostración y le dijo algo al anciano preparador Lesho. Luego, subiendo al púlpito, miró a los estudiantes y comenzó en voz baja:

Cuando un marinero grita “¡Tierra!” desde el mástil delantero de una fragata, y el capitán ve por primera vez una costa desconocida a través de un telescopio, es un gran momento en la vida de un navegante. Pero, ¿no es igual de grandioso el momento en que un químico descubre por primera vez partículas de una sustancia nueva, hasta ahora desconocida, en el fondo de un matraz?

Tenar dejó el púlpito y se dirigió a la mesa de demostración, en la que Lesho ya había colocado un dispositivo sencillo.

La química ama la simplicidad”, continuó Tenar. - Recuerden esto, señores. Solo hay dos recipientes de vidrio, exterior e interior. Nieve entre ellos: una nueva sustancia prefiere aparecer a bajas temperaturas. Se vierte ácido sulfúrico al 6% diluido en el recipiente interior. Ahora hace casi tanto frío como la nieve. ¿Qué sucede si tiro una pizca de óxido de bario en el ácido? El ácido sulfúrico y el óxido de bario darán agua inofensiva y un precipitado blanco: sulfato de bario. Todo el mundo sabe esto.

H 2 SO4 + BaO = BaSO4 + H2O

- ¡Pero ahora voy a pedir atención! Nos acercamos a costas desconocidas, y ahora desde el mástil de proa se escuchará un grito de "¡Tierra!" No arrojo óxido de bario al ácido, sino peróxido de bario, una sustancia que se obtiene quemando bario en exceso de oxígeno.

Había tanto silencio en la audiencia que la pesada respiración de un frío Lesho era claramente audible. Tenar, revolviendo cuidadosamente el ácido con una varilla de vidrio, lentamente, grano a grano, vertió peróxido de bario en el recipiente.

Filtraremos el precipitado, sulfato de bario ordinario, dijo el profesor, vertiendo agua del recipiente interior en el matraz.

H 2 SO4 + BaO2 = BaSO4 + H2 O2

- Esto parece agua, ¿no? ¡Pero esto es agua extraña! Le arrojo un trozo de óxido ordinario (¡Lesho, una antorcha!) Y observo cómo se enciende una luz que apenas arde. ¡Agua que favorece la combustión!

Esta es agua especial. Tiene el doble de oxígeno de lo normal. El agua es óxido de hidrógeno, y este líquido es peróxido de hidrógeno. Pero me gusta otro nombre: "agua oxidada". Y por derecho del descubridor, prefiero este nombre.

Cuando un navegante descubre una tierra desconocida, ya lo sabe: algún día crecerán en ella ciudades, se trazarán caminos. Los químicos nunca podemos estar seguros del destino de nuestros descubrimientos. ¿Qué le espera a una nueva sustancia en un siglo? Quizás la misma amplia aplicación que la del ácido sulfúrico o clorhídrico. O tal vez el olvido completo, como innecesario ...

La audiencia era ruidosa.

Pero Tenar continuó:

Y, sin embargo, confío en el gran futuro del "agua oxidada", porque contiene una gran cantidad de "aire que da vida": oxígeno. Y lo más importante, es muy fácil destacarse de esa agua. Esto solo da confianza en el futuro del "agua oxidada". ¡Agricultura y artesanía, medicina y manufactura, y ni siquiera sé todavía dónde se usará el "agua oxidada"! Lo que hoy todavía cabe en un frasco, mañana puede irrumpir con fuerza en todas las casas.

El profesor Tenard bajó lentamente del púlpito.

Un ingenuo soñador parisino... Un humanista acérrimo, Tenard siempre creyó que la ciencia debería traer beneficios a la humanidad, haciéndole la vida más fácil y haciéndola más fácil y feliz. Incluso teniendo constantemente ante sus ojos ejemplos de naturaleza directamente opuesta, creía firmemente en un gran y pacífico futuro para su descubrimiento. A veces se empieza a creer en la validez del dicho “La felicidad está en la ignorancia”…

Sin embargo, el comienzo de la carrera del peróxido de hidrógeno fue bastante tranquilo. Trabajó regularmente en fábricas textiles, blanqueando hilos y linos; en laboratorios, oxidando moléculas orgánicas y ayudando a obtener nuevas sustancias que no existen en la naturaleza; comenzó a dominar las salas médicas, estableciéndose con confianza como un antiséptico local.

Pero pronto se hicieron evidentes algunos aspectos negativos, uno de los cuales resultó ser la baja estabilidad: solo podía existir en soluciones de concentración relativamente baja. Y como de costumbre, si la concentración no le conviene, debe aumentarla. Y aquí es donde empezó...

...y el hallazgo del ingeniero Walter

El año 1934 estuvo marcado por bastantes acontecimientos en la historia europea. Algunos de ellos entusiasmaron a cientos de miles de personas, otros pasaron en silencio y sin ser notados. Los primeros, por supuesto, incluyen la aparición en Alemania del término "ciencia aria". En cuanto al segundo, fue la repentina desaparición de la imprenta abierta de todas las referencias al peróxido de hidrógeno. Las razones de esta extraña pérdida se aclararon solo después de la aplastante derrota del "Reich de los mil años".

Todo comenzó con una idea que se le ocurrió a Helmut Walter, propietario de una pequeña fábrica en Kiel para la producción de instrumentos de precisión, equipos de investigación y reactivos para institutos alemanes. Era una persona capaz, erudita y, lo más importante, emprendedora. Observó que el peróxido de hidrógeno concentrado se puede conservar durante bastante tiempo en presencia de incluso pequeñas cantidades de sustancias estabilizadoras, como, por ejemplo, ácido fosfórico o sus sales. El ácido úrico demostró ser un estabilizador particularmente efectivo: 1 g de ácido úrico fue suficiente para estabilizar 30 litros de peróxido altamente concentrado. Pero la introducción de otras sustancias, catalizadores de descomposición, conduce a una rápida descomposición de la sustancia con la liberación de una gran cantidad de oxígeno. Por lo tanto, se esbozó la perspectiva tentadora de regular el proceso de descomposición con la ayuda de productos químicos simples y bastante económicos.

En sí, todo esto se sabía desde hacía mucho tiempo, pero, además, Walter llamó la atención sobre el otro lado del proceso. Reacción de descomposición del peróxido

2H 2O2 = 2H2O + O2

el proceso es exotérmico y va acompañado de la liberación de una cantidad bastante significativa de energía, alrededor de 197 kJ de calor. Esto es mucho, tanto que es suficiente para hervir dos veces y media más agua de la que se forma durante la descomposición del peróxido. Como era de esperar, toda la masa se convirtió instantáneamente en una nube de gas sobrecalentado. Pero este es un gas de vapor listo para usar: el fluido de trabajo de las turbinas. Si esta mezcla sobrecalentada se dirige a las palas, obtendremos un motor que puede funcionar en cualquier lugar, incluso donde haya una falta crónica de aire. Por ejemplo, en un submarino...

Kiel era el puesto de avanzada de la construcción naval de submarinos alemanes, y la idea de un motor submarino de peróxido de hidrógeno cautivó a Walter. Atrajo con su novedad y, además, el ingeniero Walter estaba lejos de ser un mercenario. Comprendió perfectamente que en las condiciones de la dictadura fascista, el camino más corto hacia la prosperidad era trabajar para los departamentos militares.

Ya en 1933, Walter emprendió de forma independiente un estudio de las posibilidades energéticas de las soluciones de H 2O2. Hizo un gráfico de la dependencia de las principales características termofísicas de la concentración de la solución. Y esto es lo que descubrí.

Soluciones que contienen 40-65% H 2O2, descomponiéndose, se calienta notablemente, pero no lo suficiente como para formar un gas a alta presión. Durante la descomposición de soluciones más concentradas, se libera mucho más calor: toda el agua se evapora sin dejar residuos y la energía residual se gasta por completo en calentar el gas de vapor. Y lo que es muy importante; cada concentración correspondía a una cantidad estrictamente definida de calor liberado. Y una cantidad estrictamente definida de oxígeno. Y finalmente, el tercero, incluso el peróxido de hidrógeno estabilizado se descompone casi instantáneamente bajo la acción de los permanganatos de potasio KMnO. 4 o calcio Ca(MnO 4 )2 .

Walter pudo ver un campo de aplicación completamente nuevo de una sustancia conocida desde hace más de cien años. Y estudió esta sustancia desde el punto de vista de la aplicación prevista. Cuando llevó su pensamiento a los más altos círculos militares, se recibió una orden inmediata: clasificar todo lo que de alguna manera esté relacionado con el peróxido de hidrógeno. A partir de ahora, en la documentación técnica y en la correspondencia aparecen "aurol", "oxilina", "combustible T", pero no el conocido peróxido de hidrógeno.

Diagrama esquemático de una planta de turbina de vapor y gas que opera en un ciclo "frío": 1 - hélice; 2 - reductor; 3 - turbina; 4 - separador; 5 - cámara de descomposición; 6 - válvula de control; 7- electrobomba para solución de peróxido; 8 - recipientes elásticos de solución de peróxido; 9 - válvula de retención para eliminar los productos de descomposición del peróxido por la borda.

En 1936, Walter presentó la primera instalación al liderazgo de la flota de submarinos, que funcionaba según el principio indicado, que, a pesar de la temperatura bastante alta, se denominó "frío". La turbina compacta y ligera desarrolló 4000 hp en el stand, respondiendo plenamente a las expectativas del diseñador.

Los productos de reacción de descomposición de una solución de peróxido de hidrógeno altamente concentrada se alimentaron a la turbina, que hizo girar la hélice a través de un engranaje reductor y luego se descargaron por la borda.

A pesar de la obvia simplicidad de tal solución, surgieron problemas incidentales (¡y dónde estaríamos sin ellos!). Por ejemplo, se descubrió que el polvo, el óxido, los álcalis y otras impurezas también son catalizadores y aceleran bruscamente (y mucho peor, de manera impredecible) la descomposición del peróxido de lo que crea un peligro de explosión. Por lo tanto, se utilizaron recipientes elásticos de material sintético para almacenar la solución de peróxido. Se planeó colocar dichos contenedores fuera del casco de presión, lo que hizo posible utilizar racionalmente los volúmenes libres del espacio entre cascos y, además, crear un remanso para la solución de peróxido frente a la bomba de la planta debido a la presión. del agua fuera de borda.

Pero el otro problema resultó ser mucho más difícil. El oxígeno contenido en los gases de escape es bastante poco soluble en agua y delató a traición la ubicación del barco, dejando un rastro de burbujas en la superficie. Y esto a pesar de que el gas "inútil" es una sustancia vital para un barco diseñado para permanecer en una profundidad el mayor tiempo posible.

La idea de usar oxígeno como fuente de oxidación del combustible era tan obvia que Walter retomó el diseño paralelo de un motor que operaba en un "ciclo caliente". En esta versión, se suministró combustible orgánico a la cámara de descomposición, que se quemó en oxígeno no utilizado anteriormente. La potencia de la instalación aumentó considerablemente y, además, disminuyó la huella, ya que el producto de la combustión, el dióxido de carbono, se disuelve mucho mejor que el oxígeno en el agua.

Walter era consciente de las deficiencias del proceso "frío", pero las soportó, porque entendió que, en un sentido constructivo, una planta de energía de este tipo sería inconmensurablemente más simple que con un ciclo "caliente", lo que significa que puedes construir un barco mucho más rápido y demostrar sus ventajas.

En 1937, Walther informó los resultados de sus experimentos al liderazgo de la Armada alemana y aseguró a todos la posibilidad de crear submarinos con instalaciones de turbinas de ciclo combinado con una velocidad submarina sin precedentes de más de 20 nudos. Como resultado de la reunión, se decidió crear un submarino experimental. En el proceso de su diseño, se resolvieron problemas relacionados no solo con el uso de una planta de energía inusual.

Por lo tanto, la velocidad de diseño del curso submarino hizo que los contornos del casco utilizados anteriormente fueran inaceptables. Aquí, los fabricantes de aviones ayudaron a los marineros: se probaron varios modelos de casco en un túnel de viento. Además, para mejorar la capacidad de control, se utilizaron timones dobles, inspirados en los timones del avión Junkers-52.

En 1938, se colocó en Kiel el primer submarino experimental del mundo con una planta de energía de peróxido de hidrógeno con un desplazamiento de 80 toneladas, que recibió la designación V-80. Las pruebas realizadas en 1940 literalmente sorprendieron: una turbina relativamente simple y liviana con una capacidad de 2000 hp. ¡permitió que el submarino alcanzara una velocidad de 28,1 nudos bajo el agua! Es cierto que el precio de una velocidad sin precedentes fue un rango de crucero insignificante: las reservas de peróxido de hidrógeno fueron suficientes para una hora y media o dos.

Para Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, los submarinos fueron estratégicos, ya que solo con su ayuda fue posible infligir daños tangibles a la economía de Inglaterra. Por lo tanto, ya en 1941, comenzó el desarrollo y luego la construcción del submarino V-300 con una turbina de vapor-gas que operaba en un ciclo "caliente".

Diagrama esquemático de una planta de turbina de vapor y gas que opera en un ciclo "caliente": 1 - hélice; 2 - reductor; 3 - turbina; 4 - motor de remo; 5 - separador; 6 - cámara de combustión; 7 - dispositivo de encendido; 8 - válvula de la tubería de encendido; 9 - cámara de descomposición; 10 - válvula de activación del inyector; 11 - interruptor de tres componentes; 12 - regulador de cuatro componentes; 13 - bomba de solución de peróxido de hidrógeno; 14 - bomba de combustible; 15 - bomba de agua; 16 - enfriador de condensado; 17 - bomba de condensado; 18 - condensador de mezcla; 19 - colector de gas; 20 - compresor de dióxido de carbono

El barco V-300 (o U-791, recibió esa designación numérica de letras) tenía dos sistemas de propulsión (más precisamente, tres): una turbina de gas Walter, un motor diesel y motores eléctricos. Un híbrido tan inusual apareció como resultado de la comprensión de que la turbina, de hecho, es un dispositivo de poscombustión. El alto consumo de componentes de combustible lo hizo simplemente antieconómico para hacer largas transiciones "inactivas" o "escabullirse" silenciosamente a las naves enemigas. Pero simplemente era indispensable para abandonar rápidamente la posición de ataque, cambiar el lugar de ataque u otras situaciones en las que "olía a frito".

El U-791 nunca se completó, pero cuatro submarinos de combate experimentales de dos series: Wa-201 (Wa - Walter) y Wk-202 (Wk - Walter-Krupp) de varias compañías de construcción naval se instalaron de inmediato. En términos de sus plantas de energía, eran idénticos, pero diferían en el plumaje de popa y algunos elementos de los contornos de la cabina y el casco. A partir de 1943 comenzaron sus pruebas, que fueron difíciles, pero a finales de 1944. todos los principales problemas técnicos quedaron atrás. En particular, el U-792 (serie Wa-201) fue probado para rango de crucero completo, cuando, con un suministro de peróxido de hidrógeno de 40 toneladas, estuvo en postcombustión durante casi cuatro horas y media y mantuvo una velocidad de 19.5 nudos durante cuatro horas.

Estas cifras impresionaron tanto al liderazgo de la Kriegsmarine que, sin esperar la finalización de las pruebas de los submarinos experimentales, en enero de 1943 la industria recibió un pedido para la construcción de 12 barcos de dos series a la vez: XVIIB y XVIIG. Con una cilindrada de 236/259 toneladas, disponían de una planta diésel-eléctrica con una capacidad de 210/77 CV, que permitía moverse a una velocidad de 9/5 nudos. En caso de necesidad de combate, se encendieron dos PGTU con una capacidad total de 5000 hp, lo que permitió desarrollar una velocidad submarina de 26 nudos.

La figura muestra condicionalmente, esquemáticamente, sin observar la escala, el dispositivo de un submarino con una PSTU (se muestra una de las dos instalaciones de este tipo). Algunas designaciones: 5 - cámara de combustión; 6 - dispositivo de encendido; 11 - cámara de descomposición de peróxido; 16 - bomba de tres componentes; 17 - bomba de combustible; 18 - bomba de agua (basada en materiales http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/korabli_vmf_velikoy_otechestvennoy_voynyi_1972/v_nadejde_na_totalnuyu_voynu)

Brevemente, el trabajo de PSTU se ve así. Con la ayuda de una bomba de triple acción, se suministró combustible diesel, peróxido de hidrógeno y agua limpia a través de un regulador de suministro de mezcla de 4 posiciones a la cámara de combustión; cuando la bomba está funcionando a 24.000 rpm. el suministro de la mezcla alcanzó los siguientes volúmenes: combustible - 1.845 metros cúbicos/hora, agua oxigenada - 9,5 metros cúbicos/hora, agua - 15,85 metros cúbicos/hora. La dosificación de los tres componentes de la mezcla se realizó utilizando un regulador de 4 posiciones para el suministro de la mezcla en una relación de peso de 1:9:10, que también regulaba el 4º componente - agua de mar, que compensa la diferencia en el peso de peróxido de hidrógeno y agua en las cámaras de control. Los elementos de control del regulador de 4 posiciones eran accionados por un motor eléctrico de 0,5 hp. y proporcionar el caudal requerido de la mezcla.

Después del regulador de 4 posiciones, el peróxido de hidrógeno ingresó a la cámara de descomposición catalítica a través de orificios en la tapa de este dispositivo; en el tamiz del cual había un catalizador: cubos de cerámica o gránulos tubulares de aproximadamente 1 cm de largo, impregnados con una solución de permanganato de calcio. El gas de vapor se calentó a una temperatura de 485 grados centígrados; 1 kg de elementos catalizadores pasó a 720 kg de peróxido de hidrógeno por hora a una presión de 30 atmósferas.

Después de la cámara de descomposición, ingresó a la cámara de combustión de alta presión, hecha de acero endurecido duradero. Seis inyectores servían como canales de entrada, cuyos orificios laterales servían para el paso de vapor y gas, y el central para combustible. La temperatura en la parte superior de la cámara alcanzó los 2000 grados centígrados, y en la parte inferior de la cámara disminuyó a 550-600 grados debido a la inyección de agua pura en la cámara de combustión. Los gases resultantes se suministraron a la turbina, después de lo cual la mezcla de gases de escape y vapor entró en el condensador montado en la carcasa de la turbina. Con la ayuda de un sistema de enfriamiento de agua, la temperatura de la mezcla en la salida bajó a 95 grados centígrados, el condensado se recogió en un tanque de condensado y, usando una bomba de extracción de condensado, ingresó a los refrigeradores de agua de mar, que usan agua de mar corriente. para enfriar cuando el barco se mueve en una posición sumergida. Como resultado del paso por los refrigeradores, la temperatura del agua resultante disminuyó de 95 a 35 grados centígrados y regresó por la tubería como agua limpia a la cámara de combustión. El resto de la mezcla gas-vapor en forma de dióxido de carbono y vapor a una presión de 6 atmósferas se extrajo del tanque de condensado mediante un separador de gases y se eliminó por la borda. El dióxido de carbono se disolvió relativamente rápido en el agua de mar, sin dejar rastro perceptible en la superficie del agua.

Como puede ver, incluso en una presentación tan popular, la PSTU no parece un dispositivo simple, que requirió la participación de ingenieros y trabajadores altamente calificados para su construcción. La construcción de submarinos de PSTU se llevó a cabo en una atmósfera de absoluto secreto. Se permitió un círculo estrictamente limitado de personas en los barcos de acuerdo con las listas acordadas en las más altas instancias de la Wehrmacht. En los puestos de control había gendarmes vestidos de bomberos... Al mismo tiempo, se aumentaban las capacidades productivas. Si en 1939 Alemania producía 6.800 toneladas de peróxido de hidrógeno (en términos de una solución al 80%), entonces en 1944 ya eran 24.000 toneladas y se construyeron capacidades adicionales para 90.000 toneladas por año.

Todavía sin tener submarinos de combate completos de PSTU, sin tener experiencia en su uso en combate, el Gran Almirante Doenitz transmitió:

Llegará el día en que declararé una nueva guerra submarina contra Churchill. La flota de submarinos no fue rota por las huelgas de 1943. Se volvió más fuerte que antes. 1944 será un año difícil, pero un año que traerá grandes éxitos.

Doenitz se hizo eco del comentarista de la radio estatal Fritsche. Fue aún más franco, prometiendo a la nación "una guerra submarina total con submarinos nuevos contra los que el enemigo sería impotente".

Me pregunto si Karl Doenitz recordó estas fuertes promesas durante esos 10 años que tuvo que pasar en la prisión de Spandau bajo el veredicto del Tribunal de Nuremberg.

El final de estos prometedores submarinos resultó ser deplorable: durante todo el tiempo, solo se construyeron 5 (según otras fuentes, 11) barcos de PSTU Walter, de los cuales solo tres se probaron y se alistaron en la flota de combate. Sin tripulación, sin haber hecho una sola salida de combate, se inundaron después de la rendición de Alemania. Dos de ellos, hundidos en un área poco profunda en la zona de ocupación británica, fueron posteriormente izados y transportados: el U-1406 a los EE. UU. y el U-1407 al Reino Unido. Allí, los expertos estudiaron cuidadosamente estos submarinos, y los británicos incluso realizaron pruebas a gran escala.

El legado nazi en Inglaterra...

Los barcos de Walter transportados a Inglaterra no se desguazaban. Por el contrario, la amarga experiencia de las dos guerras mundiales pasadas en el mar inculcó en los británicos la convicción de la prioridad incondicional de las fuerzas antisubmarinas. Entre otros, el Almirantazgo consideró la cuestión de crear un submarino antisubmarino especial. Se suponía que debían desplegarse en las aproximaciones a las bases enemigas, donde se suponía que debían atacar a los submarinos enemigos mar adentro. Pero para esto, los propios submarinos antisubmarinos tenían que poseer dos cualidades importantes: la capacidad de permanecer en secreto bajo las narices del enemigo durante mucho tiempo y, al menos por un corto tiempo, desarrollar altas velocidades para una rápida aproximación a la enemigo y su ataque repentino. Y los alemanes les presentaron un buen comienzo: RPD y una turbina de gas. La mayor atención se centró en PSTU, como un sistema completamente autónomo que, además, proporcionaba velocidades submarinas realmente fantásticas para la época.

El U-1407 alemán fue escoltado a Inglaterra por la tripulación alemana, a la que se advirtió de la pena de muerte en caso de sabotaje. Helmut Walter también fue llevado allí. El U-1407 restaurado fue comisionado en la Armada bajo el nombre de "Meteorito". Sirvió hasta 1949, después de lo cual fue retirada de la flota y en 1950 desmantelada por metal.

Más tarde, en 1954-55. Los británicos construyeron dos del mismo tipo de submarinos experimentales "Explorer" y "Excalibur" de su propio diseño. Sin embargo, los cambios solo afectaron la apariencia externa y el diseño interno, ya que PSTU permaneció casi en su forma original.

Ambos barcos nunca se convirtieron en los progenitores de algo nuevo en la flota inglesa. El único logro fueron los 25 nudos submarinos obtenidos durante las pruebas del Explorer, lo que dio a los británicos una razón para pregonar al mundo entero su prioridad para este récord mundial. El precio de este récord también fue récord: constantes averías, problemas, incendios, explosiones hicieron que pasaran la mayor parte del tiempo en los muelles y talleres de reparación que en campañas y pruebas. Y esto sin contar el aspecto puramente económico: una hora de funcionamiento del Explorer cuesta 5.000 libras esterlinas, que al cambio de esa hora equivale a 12,5 kg de oro. Fueron excluidos de la flota en 1962 ("Explorer") y en 1965 ("Excalibur") con la característica letal de uno de los submarinistas británicos: "¡Lo mejor que se puede hacer con el peróxido de hidrógeno es interesar a los adversarios potenciales!"

…y en la URSS]
La Unión Soviética, a diferencia de los aliados, no obtuvo los barcos de la serie XXVI, al igual que no obtuvo la documentación técnica para estos desarrollos: los "aliados" se mantuvieron fieles a sí mismos, una vez más ocultando un dato. Pero se disponía de información, y bastante amplia, sobre estas fallidas innovaciones de Hitler en la URSS. Dado que los químicos rusos y soviéticos siempre han estado a la vanguardia de la ciencia química mundial, la decisión de explorar las posibilidades de un motor tan interesante sobre una base puramente química se tomó rápidamente. Las agencias de inteligencia lograron encontrar y reunir a un grupo de especialistas alemanes que habían trabajado anteriormente en esta área y expresaron el deseo de continuarlos contra el antiguo enemigo. En particular, tal deseo fue expresado por uno de los diputados de Helmut Walter, un tal Franz Statetsky. Statecki y el grupo de "inteligencia técnica" para la exportación de tecnología militar de Alemania bajo el liderazgo del almirante L.A. Korshunov, fundó en Alemania la empresa "Bruner-Kanis-Reider", que era subcontratista en la fabricación de unidades de turbina Walther.

Para copiar un submarino alemán con una planta de energía Walter, primero en Alemania y luego en la URSS bajo el liderazgo de A.A. Antipin, se creó la Oficina Antipin, una organización a partir de la cual, gracias a los esfuerzos del diseñador jefe de submarinos (Capitán I rango A.A. Antipin), se formaron LPMB Rubin y SPMB Malachite.

La tarea de la oficina era estudiar y reproducir los logros de los alemanes en los nuevos submarinos (diésel, eléctricos, de turbina de gas), pero la tarea principal era repetir las velocidades de los submarinos alemanes con el ciclo Walther.

Como resultado del trabajo realizado, fue posible restaurar completamente la documentación, la fabricación (en parte de Alemania, en parte de unidades de nueva fabricación) y probar la planta de turbinas de vapor y gas de los barcos alemanes de la serie XXVI.

Después de eso, se decidió construir un submarino soviético con motor Walther. El tema del desarrollo de submarinos de PSTU Walter se denominó proyecto 617.

Alexander Tyklin, al describir la biografía de Antipin, escribió:

“... Fue el primer submarino de la URSS, que superó el valor de 18 nudos de la velocidad submarina: ¡durante 6 horas, su velocidad submarina fue de más de 20 nudos! El casco proporcionó una duplicación de la profundidad de inmersión, es decir, hasta una profundidad de 200 metros. Pero la principal ventaja del nuevo submarino era su planta de energía, que fue una innovación sorprendente para aquellos tiempos. Y no fue casualidad que este barco fuera visitado por los académicos I.V. Kurchatov y A.P. Aleksandrov: preparándose para la creación de submarinos nucleares, no pudieron evitar familiarizarse con el primer submarino en la URSS que tenía una instalación de turbina. Posteriormente, se tomaron prestadas muchas soluciones de diseño en el desarrollo de centrales nucleares ... "

Al diseñar el S-99 (este barco recibió este número), se tuvo en cuenta la experiencia tanto soviética como extranjera en la creación de motores comunes. El proyecto preliminar se completó a fines de 1947. El barco tenía 6 compartimentos, la turbina estaba en un 5º compartimento estanco y deshabitado, en el 4º estaba montado el panel de control de la PSTU, un generador diésel y mecanismos auxiliares, que además contaba con ventanas especiales para el seguimiento de la turbina. El combustible ascendió a 103 toneladas de peróxido de hidrógeno, combustible diesel - 88,5 toneladas y combustible especial para la turbina - 13,9 toneladas Todos los componentes estaban en bolsas especiales y tanques fuera de la caja fuerte. Una novedad, en contraste con los desarrollos alemanes y británicos, fue el uso de óxido de manganeso MnO2 como catalizador, no permanganato de potasio (calcio). Al ser un sólido, se aplicó fácilmente a rejillas y rejillas, no se perdió durante la operación, ocupó mucho menos espacio que las soluciones y no se descompuso con el tiempo. En todos los demás aspectos, PSTU era una copia del motor Walther.

S-99 se consideró experimental desde el principio. Resolvió la solución de problemas relacionados con la alta velocidad bajo el agua: la forma del casco, la capacidad de control y la estabilidad del movimiento. Los datos acumulados durante su operación permitieron diseñar racionalmente barcos de propulsión nuclear de primera generación.

En 1956 - 1958, se diseñaron grandes barcos del proyecto 643 con un desplazamiento de superficie de 1865 toneladas y ya con dos PSTU, que se suponía que proporcionarían al barco una velocidad submarina de 22 nudos. Sin embargo, en relación con la creación de un diseño preliminar de los primeros submarinos soviéticos con centrales nucleares, el proyecto se cerró. Pero los estudios de la PSTU del barco S-99 no se detuvieron, sino que se trasladaron a la corriente principal de considerar la posibilidad de utilizar el motor Walter en el torpedo gigante T-15 con una carga atómica en desarrollo, propuesto por Sajarov para destruir. Bases y puertos navales estadounidenses. Se suponía que el T-15 tenía 24 metros de largo, tenía un alcance sumergido de hasta 40-50 millas y llevaba una ojiva termonuclear capaz de crear un tsunami artificial para destruir las ciudades costeras de EE. UU. Afortunadamente, este proyecto también fue abandonado.

El peligro del peróxido de hidrógeno no dejó de afectar a la Armada soviética. El 17 de mayo de 1959, ocurrió un accidente: una explosión en la sala de máquinas. El barco milagrosamente no murió, pero su restauración se consideró inapropiada. El barco se vendió como chatarra.

En el futuro, PSTU no se generalizó en la construcción naval de submarinos ni en la URSS ni en el extranjero. Los avances en la energía nuclear han permitido resolver con mayor éxito el problema de los potentes motores submarinos que no requieren oxígeno.

Continuará…

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Uso: en motores de combustión interna, en particular en un método para proporcionar una combustión mejorada de combustibles con la participación de compuestos de hidrocarburos. La esencia de la invención: el método prevé la introducción en la composición de 10-80 vol. % de peróxido o compuestos peroxo. La composición se administra por separado del combustible. 1 zp f-ly, 2 pestañas.

La invención se refiere a un método y una composición líquida para iniciar y optimizar la combustión de compuestos de hidrocarburos y reducir la concentración de compuestos nocivos en los gases de escape y las emisiones, donde una composición líquida que contiene un peróxido o un peroxocompuesto se alimenta al aire de combustión o al mezcla aire-combustible. Requisitos previos para la creación de la invención. En los últimos años, se ha prestado cada vez más atención a la contaminación ambiental y al alto consumo de energía, especialmente debido a la dramática pérdida de bosques. Sin embargo, los gases de escape siempre han sido un problema en los núcleos de población. A pesar de la constante mejora de los motores y la tecnología de calefacción con menores emisiones o gases de escape, el creciente número de vehículos y plantas de combustión ha llevado a un aumento general de los gases de escape. La causa principal de la contaminación por gases de escape y el alto consumo de energía es la combustión incompleta. El esquema del proceso de combustión, la eficiencia del sistema de encendido, la calidad del combustible y la mezcla aire-combustible determinan la eficiencia de la combustión y el contenido de compuestos no quemados y peligrosos en los gases. Para reducir la concentración de estos compuestos, se utilizan varios métodos, por ejemplo, recirculación y catalizadores bien conocidos, que conducen a la postcombustión de los gases de escape fuera de la zona de combustión principal. La combustión es una reacción de combinación con oxígeno (O 2 ) bajo la influencia del calor. Compuestos como el carbono (C), el hidrógeno (H 2 ), los hidrocarburos y el azufre (S) generan suficiente calor para mantener su combustión, mientras que el nitrógeno (N 2 ) requiere calor para oxidarse. A una temperatura alta de 1200-2500 o C y una cantidad suficiente de oxígeno, se logra una combustión completa, donde cada compuesto se une a la cantidad máxima de oxígeno. Los productos finales son CO 2 (dióxido de carbono), H 2 O (agua), SO 2 y SO 3 (óxidos de azufre) ya veces NO y NO 2 (óxidos de nitrógeno, NO x). Los óxidos de azufre y nitrógeno son los responsables de la acidificación del medio ambiente, su inhalación es peligrosa y especialmente estos últimos (NOx) absorben la energía de la combustión. También es posible producir llamas frías, como la llama de una vela azul oscilante, donde la temperatura es de solo unos 400 ° C. La oxidación aquí no es completa y los productos finales pueden ser H 2 O 2 (peróxido de hidrógeno), CO ( monóxido de carbono) y posiblemente C (hollín). Los dos últimos compuestos, como el NO, son dañinos y pueden proporcionar energía cuando se queman por completo. La gasolina es una mezcla de hidrocarburos de petróleo crudo con puntos de ebullición en el rango de 40-200 ° C. Contiene alrededor de 2000 hidrocarburos diferentes con 4-9 átomos de carbono. El proceso de combustión detallado también es muy complejo para compuestos simples. Las moléculas de combustible se descomponen en fragmentos más pequeños, la mayoría de los cuales son los llamados radicales libres, es decir, Moléculas inestables que reaccionan rápidamente con, por ejemplo, oxígeno. Los radicales más importantes son el oxígeno atómico O, el hidrógeno atómico H y el radical hidroxilo OH. Este último es especialmente importante para la descomposición y oxidación del combustible, tanto por adición directa como por eliminación de hidrógeno, dando como resultado la formación de agua. Al comienzo de la iniciación de la combustión, el agua entra en la reacción H 2 O + M ___ H + CH + M donde M es otra molécula, como el nitrógeno, o la pared o superficie del electrodo de chispa con el que choca la molécula de agua. Debido a que el agua es una molécula muy estable, requiere una temperatura muy alta para descomponerse. Una mejor alternativa es agregar peróxido de hidrógeno, que se descompone de manera similar H 2 O 2 + M ___ 2OH + M. Esta reacción procede mucho más fácilmente y a una temperatura más baja, especialmente en superficies donde la ignición de la mezcla aire/combustible es más fácil y más controlado. Un efecto positivo adicional de la reacción de la superficie es que el peróxido de hidrógeno reacciona fácilmente con el hollín y el alquitrán de las paredes y la bujía para formar dióxido de carbono (CO 2 ), lo que conduce a la limpieza de la superficie del electrodo y a una mejor ignición. El agua y el peróxido de hidrógeno reducen considerablemente el contenido de CO en los gases de escape siguiendo el esquema 1) CO + O 2 ___ CO 2 +O: iniciación 2) O: +H 2 O ___ 2OH ramificación 3) OH +CO ___ CO 2 +H crecimiento 4) H + O 2 ___ OH + O; ramificación De la reacción 2) se puede ver que el agua juega el papel de un catalizador y luego se forma de nuevo. Dado que el peróxido de hidrógeno conduce a un contenido miles de veces mayor de radicales OH que el agua, el paso 3) se acelera mucho, lo que conduce a la eliminación de la mayor parte del CO formado. Como resultado, se libera energía adicional para ayudar a sostener la combustión. El NO y el NO 2 son compuestos altamente tóxicos y son aproximadamente 4 veces más tóxicos que el CO. En la intoxicación aguda, se daña el tejido pulmonar. El NO es un producto indeseable de la combustión. En presencia de agua, el NO se oxida a HNO 3 y de esta forma provoca aproximadamente la mitad de la acidificación, y la otra mitad se debe a H 2 SO 4 . Además, el NO x puede descomponer el ozono en la atmósfera superior. La mayor parte del NO se forma por la reacción del oxígeno con el nitrógeno atmosférico a altas temperaturas y, por tanto, no depende de la composición del combustible. La cantidad de PO x formada depende de la duración del mantenimiento de las condiciones de combustión. Si la disminución de la temperatura se lleva a cabo muy lentamente, se llega a un equilibrio a temperaturas moderadamente altas y una concentración relativamente baja de NO. Los siguientes métodos se pueden utilizar para lograr un bajo contenido de NO. 1. Combustión en dos etapas de una mezcla enriquecida con combustible. 2. Temperatura de combustión baja debido a: a) un gran exceso de aire,
b) fuerte enfriamiento,
c) recirculación de gases de combustión. Como suele observarse en el análisis químico de una llama, la concentración de NO en la llama es mayor que después de ella. Este es el proceso de descomposición del O. Una posible reacción:
CH 3 + NO ___ ... H + H 2 O
Por lo tanto, la formación de N 2 está respaldada por condiciones que dan una alta concentración de CH 3 en llamas calientes ricas en combustible. Como muestra la práctica, los combustibles que contienen nitrógeno, por ejemplo en forma de compuestos heterocíclicos como la piridina, dan una mayor cantidad de NO. Contenido de N en varios combustibles (aproximado), %: Petróleo crudo 0,65 Asfalto 2,30 Gasolina pesada 1,40 Gasolina ligera 0,07 Carbón 1-2
SE-B-429.201 describe una composición líquida que contiene 1-10 % en volumen de peróxido de hidrógeno, y el resto - agua, alcohol alifático, aceite lubricante y posiblemente un inhibidor de corrosión, donde la composición líquida especificada se alimenta al aire de combustión o al mezcla aire-combustible. Con un contenido tan bajo de peróxido de hidrógeno, la cantidad resultante de radicales OH no es suficiente para reaccionar tanto con el combustible como con el CO. Con la excepción de las composiciones que conducen a la combustión espontánea del combustible, el efecto positivo que se logra aquí es pequeño en comparación con la adición de agua sola. DE-A-2.362.082 describe la adición de un agente oxidante, tal como peróxido de hidrógeno, durante la combustión, pero el peróxido de hidrógeno se descompone en agua y oxígeno por medio de un catalizador antes de que se introduzca en el aire de combustión. Objeto y características más importantes de la presente invención. Es un objeto de esta invención mejorar la combustión y reducir las emisiones de gases de escape nocivos de los procesos de combustión que implican compuestos de hidrocarburos mejorando el inicio de la combustión y manteniendo una combustión óptima y completa en condiciones tan buenas que los gases de escape nocivos se reducen considerablemente. Esto se logra alimentando una composición líquida que contiene un peróxido o compuesto de peroxo y agua en el aire de combustión o en la mezcla de aire y combustible, donde la composición líquida contiene 10-80% en volumen del peróxido o compuesto de peroxo. En condiciones alcalinas, el peróxido de hidrógeno se descompone en radicales hidroxilo e iones peróxido según el siguiente esquema:
H 2 O 2 + HO 2 ___ HO + O 2 + H 2 O
Los radicales hidroxilo resultantes pueden reaccionar entre sí, con iones peróxido o con peróxido de hidrógeno. Como resultado de estas reacciones que se presentan a continuación, se forman radicales de peróxido de hidrógeno, oxígeno gaseoso e hidroperóxido:
HO +HO ___ H 2 O 2
HO + O ___ 3 O 2 + OH -
HO +H 2 O 2 ___ HO 2 +H 2 O Se sabe que el pKa de los radicales peróxido es 4,88 0,10, lo que significa que todos los radicales hidroperoxi se disocian en iones peróxido. Los iones de peróxido también pueden reaccionar con el peróxido de hidrógeno entre sí o capturar el oxígeno singulete resultante. O + H 2 O 2 ___ O 2 + HO + OH -
O + O 2 + H 2 O ___ IO 2 + HO - 2 + OH -
O + I O 2 ___ 3 O 2 + O + 22 kcal. Así, se forman oxígeno gaseoso, radicales hidroxilo, oxígeno singlete, peróxido de hidrógeno y oxígeno triplete con una liberación de energía de 22 kcal. También se ha confirmado que los iones de metales pesados ​​presentes en la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno dan radicales hidroxilo e iones peróxido. Las constantes de velocidad están disponibles, como los siguientes datos para alcanos de petróleo típicos. Constantes de velocidad de interacción del n-octano con H, O y OH. k \u003d A exp / E / RT Reacción A / cm 3 / mol: s / E / kJ / mol / n-C 8 H 18 + H 7.1:10 14 35.3
+O 1.8:10 14 19.0
+OH 2,0:10 13 3,9
A partir de este ejemplo, vemos que el ataque de los radicales OH ocurre más rápido y a una temperatura más baja que el H y el O. La constante de velocidad de la reacción CO + + OH _ CO 2 + H tiene una dependencia inusual con la temperatura debido a la energía de activación negativa y alto coeficiente de temperatura. Se puede escribir de la siguiente manera: 4,4 x 10 6 x T 1,5 exp / 3,1 / RT. La velocidad de reacción será casi constante e igual a aproximadamente 10 11 cm 3 /mol seg a temperaturas por debajo de 1000 aproximadamente K, es decir hasta temperatura ambiente. Por encima de 1000 o K, la velocidad de reacción aumenta varias veces. Debido a esto, la reacción domina completamente la conversión de CO a CO 2 durante la combustión de hidrocarburos. Debido a esto, la combustión temprana y completa de CO2 mejora la eficiencia térmica. Un ejemplo que ilustra el antagonismo entre O 2 y OH es la reacción NH 3 -H 2 O 2 -NO, donde la adición de H 2 O 2 conduce a una reducción del 90% en NO x en un ambiente libre de oxígeno. Si está presente O 2 , incluso con solo un 2 % de PO x , la reducción se reduce considerablemente. De acuerdo con la presente invención, se utiliza H 2 O 2 para generar radicales OH, disociándose a aproximadamente 500°C. Su tiempo de vida es de un máximo de 20 ms. Con la combustión normal de etanol, el 70% del combustible se gasta en la reacción con radicales OH y el 30% con átomos de H. En la presente invención, donde los radicales OH ya se forman en la etapa de iniciación de la combustión, la combustión mejora drásticamente debido al ataque inmediato del combustible. Al añadir una composición líquida con un alto contenido en peróxido de hidrógeno (superior al 10%), existen suficientes radicales OH para oxidar inmediatamente el CO resultante. A concentraciones más bajas de peróxido de hidrógeno, los radicales OH resultantes no son suficientes para interactuar tanto con el combustible como con el CO. La composición líquida se suministra de tal manera que no haya reacción química entre el recipiente de líquido y la cámara de combustión, i. no se produce la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno gaseoso, y el líquido llega sin cambios directamente a la zona de combustión o precámara, donde se enciende la mezcla de líquido y combustible fuera de la cámara de combustión principal. A una concentración suficientemente alta de peróxido de hidrógeno (alrededor del 35 %), puede ocurrir la combustión espontánea del combustible y el mantenimiento de la combustión. La ignición de la mezcla líquido-combustible puede tener lugar por combustión espontánea o contacto con la superficie catalítica, en la que no se necesita un fusible o similar. La ignición puede llevarse a cabo a través de energía térmica, por ejemplo, un fusible de acumulación de calor, una llama abierta, etc. La mezcla de alcohol alifático con peróxido de hidrógeno puede iniciar una combustión espontánea. Esto es especialmente útil en un sistema de precámara donde se puede evitar que el peróxido de hidrógeno y el alcohol se mezclen hasta que se alcance la precámara. Al equipar cada cilindro con una válvula inyectora para la composición del líquido, se logra una dosificación del líquido muy precisa y adaptada a todas las condiciones de servicio. Con la ayuda de un dispositivo de control que regula las válvulas de inyección y varios sensores conectados al motor, suministrando al dispositivo de control señales sobre la posición del eje del motor, velocidad y carga del motor, y eventualmente sobre la temperatura de encendido, inyección secuencial y sincronización de Se puede lograr la apertura y el cierre de las válvulas de inyección y la dosificación del líquido no solo en función de la carga y la potencia requerida, sino también de la velocidad del motor y de la temperatura del aire inyectado, lo que conduce a un buen movimiento en todas las condiciones. La mezcla líquida reemplaza el suministro de aire hasta cierto punto. Se realizaron un gran número de pruebas para identificar diferencias de efecto entre mezclas de agua y peróxido de hidrógeno (23 y 35% respectivamente). Las cargas que se seleccionan corresponden a la conducción en autovía de alta velocidad y en ciudad. Se probó el motor B20E con freno de agua. El motor se calentó antes de la prueba. Con una carga de alta velocidad en el motor, la liberación de NO x, CO y HC aumenta al reemplazar el peróxido de hidrógeno con agua. El contenido de NO x disminuye con un aumento en la cantidad de peróxido de hidrógeno. El agua también reduce los NOx, pero con esta carga se necesita 4 veces más agua que peróxido de hidrógeno al 23 % para la misma reducción de NOx. Al conducir por la ciudad, primero se suministra peróxido de hidrógeno al 35%, mientras que la velocidad y el par del motor aumentan ligeramente (20-30 rpm / 0,5-1 nm). Al cambiar a peróxido de hidrógeno al 23%, el momento y la velocidad del motor disminuyen con un aumento simultáneo en el contenido de NOx. Al suministrar agua limpia, es difícil mantener el motor girando. El contenido de NS aumenta bruscamente. Por lo tanto, el peróxido de hidrógeno mejora la combustión mientras reduce el NOx. Las pruebas realizadas por la Inspección de Vehículos y Motores de Suecia en los modelos SAAB 900i y VoIvo 760 Turbo con y sin una mezcla de peróxido de hidrógeno al 35 % dieron los siguientes resultados para la emisión de CO, HC, NO x y CO 2 . Los resultados se presentan en % de los valores obtenidos con peróxido de hidrógeno, en relación a los resultados sin utilizar la mezcla (tabla 1). Cuando se probó en un Volvo 245 G14FK/84 al ralentí, el contenido de CO fue del 4% y el contenido de HC fue de 65 ppm sin pulsación de aire (tratamiento de gases de escape). Cuando se mezcló con una solución de peróxido de hidrógeno al 35 %, el contenido de CO disminuyó al 0,05 % y el contenido de HC a 10 ppm. El tiempo de encendido fue de 10° y la velocidad de ralentí fue de 950 rpm en ambos casos. En las pruebas realizadas en el Norwegian Marine Institute of Technology A/S en Trondheim, se comprobaron las emisiones de HC, CO y NO x de un Volvo 760 Turbo según la normativa ECE N 15.03 con un motor caliente, arrancando con o sin hidrógeno al 35 %. solución de peróxido durante la combustión (tabla 2). Arriba está el uso de peróxido de hidrógeno solamente. También se puede lograr un efecto similar con otros peróxidos y compuestos peroxo, tanto inorgánicos como orgánicos. La composición líquida, además de peróxido y agua, también puede contener hasta un 70 % de alcohol alifático con 1-8 átomos de carbono y hasta un 5 % de aceite que contiene un inhibidor de la corrosión. La cantidad de composición líquida mezclada con el combustible puede variar desde unas pocas décimas de un porcentaje de la composición líquida de la cantidad de combustible hasta varios cientos %. Se utilizan cantidades mayores, por ejemplo, para combustibles de difícil ignición. La composición líquida se puede utilizar en motores de combustión interna y otros procesos de combustión que involucren hidrocarburos como petróleo, carbón, biomasa, etc., en hornos de combustión para una combustión más completa y reducción de compuestos nocivos en las emisiones.

Afirmar

1. UN MÉTODO PARA PROPORCIONAR UNA MEJORA DE LA COMBUSTIÓN CON PARTICIPACIÓN DE COMPUESTOS DE HIDROCARBUROS, en el que se introduce en el aire de combustión o mezcla aire-combustible, respectivamente, una composición líquida que contiene peróxido o compuestos peroxo y agua, caracterizado porque, para reducir la contenido de compuestos nocivos en las emisiones de gases de escape, el líquido la composición contiene 10 - 60 vol. % de peróxido o compuesto de peroxo y se introduce directamente y por separado del combustible en la cámara de combustión sin descomposición previa del peróxido o compuesto de peroxo, o se introduce en la cámara preliminar, donde la mezcla de combustible y composición líquida se enciende fuera de la cámara de combustión principal. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en la precámara se introduce por separado un alcohol alifático que contiene de 1 a 8 átomos de carbono.

La primera muestra de nuestro motor cohete de propulsante líquido (LRE), propulsado por queroseno y peróxido de hidrógeno altamente concentrado, se ha ensamblado y está lista para ser probada en el stand del Instituto de Aviación de Moscú.

Todo comenzó hace aproximadamente un año con la creación de modelos 3D y el lanzamiento de la documentación de diseño.

Enviamos los dibujos terminados a varios contratistas, incluido nuestro principal socio metalúrgico, ArtMech. Todo el trabajo en la cámara se duplicó y la producción de boquillas generalmente fue recibida por varios proveedores. Desafortunadamente, aquí nos enfrentamos a la complejidad de fabricar productos metálicos aparentemente simples.

Especialmente se tuvo que gastar mucho esfuerzo en boquillas centrífugas para rociar combustible en la cámara. En el modelo seccional 3D, son visibles como cilindros con tuercas azules al final. Y así es como se ven en metal (se muestra una de las boquillas con una tuerca desenroscada, se da un lápiz para la escala).

Ya hemos escrito sobre probar inyectores. Como resultado, se seleccionaron siete de las docenas de inyectores. El queroseno fluirá hacia la cámara a través de ellos. Los chorros de queroseno están integrados en la parte superior de la cámara, que es el gasificador del oxidante, el área donde el peróxido de hidrógeno pasará a través del catalizador sólido y se descompondrá en vapor de agua y oxígeno. Luego, la mezcla de gas resultante también ingresará a la cámara LRE.

Para comprender por qué la fabricación de boquillas ha causado tales dificultades, debe mirar hacia adentro: dentro del canal de la boquilla hay un remolino de tornillo. Es decir, el queroseno que ingresa a la boquilla no solo fluye suavemente hacia abajo, sino que se retuerce. El remolino de tornillo tiene muchas piezas pequeñas, y el ancho de los espacios a través de los cuales el queroseno fluirá y se rociará en la cámara depende de la precisión con la que sea posible mantener sus dimensiones. El rango de resultados posibles va desde “el líquido no fluye a través de la boquilla en absoluto” hasta “se rocía uniformemente en todas las direcciones”. El resultado ideal: el queroseno se rocía con un cono delgado hacia abajo. Aproximadamente como en la foto de abajo.

Por lo tanto, la obtención de la boquilla ideal depende no solo de la habilidad y esmero del fabricante, sino también del equipo utilizado y, finalmente, de la motricidad fina del especialista. Varias series de pruebas de boquillas terminadas bajo diferentes presiones nos permitieron elegir aquellas cuyo cono de aspersión se aproxima al ideal. La foto muestra un remolino que no pasó la selección.

Veamos cómo queda nuestro motor en metal. Aquí está la cubierta LRE con líneas para el suministro de agua oxigenada y queroseno.

Si levanta la tapa, puede ver que el peróxido se bombea a través de un tubo largo y el queroseno a través de uno corto. Además, el queroseno se distribuye en siete agujeros.

Un gasificador está unido a la cubierta desde abajo. Veámoslo desde el lado de la cámara.

Lo que a partir de este punto nos aparece como la parte inferior de la pieza es en realidad su parte superior y irá adosada a la tapa del LRE. Desde los siete orificios, el queroseno fluirá a través de las boquillas hacia la cámara, y desde el octavo (a la izquierda, el único ubicado asimétricamente), el peróxido se derramará sobre el catalizador. Más precisamente, no brotará directamente, sino a través de una placa especial con microagujeros que distribuyen uniformemente el flujo.

En la siguiente foto, esta placa y las boquillas de queroseno ya están insertadas en el gasificador.

Casi todo el volumen libre del gasificador estará ocupado por un catalizador sólido, a través del cual fluirá el peróxido de hidrógeno. El queroseno pasará por las boquillas sin mezclarse con el peróxido.

En la siguiente foto vemos que el gasificador ya ha sido cerrado con una tapa por el lado de la cámara de combustión.

El queroseno fluirá a través de siete orificios que terminan con tuercas especiales, y el gas de vapor caliente fluirá a través de pequeños orificios, es decir, peróxido ya descompuesto en oxígeno y vapor de agua.

Ahora averigüemos dónde fluirán. Y fluirán hacia la cámara de combustión, que es un cilindro hueco, donde el queroseno se enciende en oxígeno, se calienta en un catalizador y continúa ardiendo.

Los gases calentados entrarán en la boquilla, en la que acelerarán a altas velocidades. Aquí está la boquilla desde diferentes ángulos. La parte grande (que se estrecha) de la boquilla se llama subcrítica, luego viene la sección crítica y luego la parte que se expande se llama supercrítica.

Como resultado, el motor ensamblado se ve así.

Guapo, ¿verdad?

Fabricaremos al menos un LRE más de acero inoxidable y luego pasaremos a la fabricación de LRE de Inconel.

Un lector atento se preguntará, ¿por qué necesitamos herrajes en los costados del motor? Nuestro motor de cohete tiene una cortina: se inyecta líquido a lo largo de las paredes de la cámara para que no se sobrecaliente. En vuelo, el peróxido o el queroseno (lo aclararemos según los resultados de las pruebas) de los tanques del cohete fluirán hacia la cortina. Durante las pruebas de fuego en el stand, tanto el queroseno como el peróxido, así como el agua o nada en absoluto (para pruebas cortas) pueden introducirse en la cortina. Es para el velo que se hacen estos accesorios. Además, hay dos cortinas: una para enfriar la cámara, otra para la parte subcrítica de la tobera y la sección crítica.

Si es ingeniero o simplemente quiere saber más sobre las características y el diseño del motor cohete, la siguiente es una nota de ingeniería especialmente para usted.

ZhRD-100S

El motor está diseñado para pruebas en banco de las principales soluciones tecnológicas y de diseño. Las pruebas de banco del motor están programadas para 2016.

El motor funciona con componentes estables de combustible de alto punto de ebullición. Empuje estimado al nivel del mar - 100 kgf, en el vacío - 120 kgf, impulso de empuje específico calculado al nivel del mar - 1840 m/s, en el vacío - 2200 m/s, gravedad específica estimada - 0,040 kg/kgf. Las características reales del motor se especificarán durante las pruebas.

El motor es de una sola cámara, consta de una cámara, un conjunto de unidades del sistema de automatización, componentes y partes del conjunto general.

El motor se acopla directamente a los elementos portantes del soporte a través de una brida en la parte superior de la cámara.

Configuración básica de la cámara
combustible:
- oxidante - PV-85
- combustible - TS-1
empuje, kgf:
- al nivel del mar - 100,0
- en el vacío - 120.0
impulso de empuje específico, m/s:
- al nivel del mar - 1840
- en el vacío - 2200
segundo consumo, kg/s:
- agente oxidante - 0.476
- combustible - 0.057
relación de peso de los componentes del combustible (O:G) - 8,43:1
coeficiente de exceso de agente oxidante - 1,00
presión de gas, bar:
- en la cámara de combustión - 16
- en la sección de salida de la boquilla - 0,7
peso de la cámara, kg — 4,0
diámetro interior del motor, mm:
- pieza cilíndrica - 80.0
- en la región de la salida de la tobera - 44.3

La cámara es una estructura prefabricada y consta de un cabezal de tobera con un gasificador oxidante integrado, una cámara de combustión cilíndrica y una tobera perfilada. Los elementos de la cámara tienen bridas y están atornillados entre sí.

El cabezal contiene 88 boquillas de jet oxidante de un solo componente y 7 boquillas centrífugas de combustible de un solo componente. Las boquillas están dispuestas en círculos concéntricos. Cada inyector de combustible está rodeado por diez inyectores de oxidante, los inyectores de oxidante restantes están ubicados en el espacio libre de la cabeza.

El enfriamiento de la cámara es interno, de dos etapas, realizado por líquido (combustible o agente oxidante, la elección se hará de acuerdo con los resultados de las pruebas de banco), que ingresa a la cavidad de la cámara a través de dos correas de cortina: superior e inferior. La correa superior de la cortina está hecha al comienzo de la parte cilíndrica de la cámara y proporciona enfriamiento a la parte cilíndrica de la cámara, la inferior está hecha al comienzo de la parte subcrítica de la boquilla y proporciona enfriamiento a la parte subcrítica. parte de la boquilla y el área de la sección crítica.

El motor utiliza el autoencendido de los componentes del combustible. En el proceso de arranque del motor, se asegura un avance en el flujo de comburente hacia la cámara de combustión. Cuando el comburente se descompone en el gasificador, su temperatura sube a 900 K, que es significativamente más alta que la temperatura de autoignición del combustible TS-1 en el aire (500 K). El combustible suministrado a la cámara en la atmósfera de un oxidante caliente se enciende espontáneamente y luego el proceso de combustión se vuelve autosuficiente.

El gasificador oxidante funciona según el principio de descomposición catalítica de peróxido de hidrógeno altamente concentrado en presencia de un catalizador sólido. El gas de vapor formado como resultado de la descomposición del peróxido de hidrógeno (una mezcla de vapor de agua y oxígeno gaseoso) es un agente oxidante y entra en la cámara de combustión.

Principales parámetros del generador de gas.
Componentes:
- peróxido de hidrógeno estabilizado (concentración en peso), % — 85±0,5
consumo de peróxido de hidrógeno, kg / s - 0.476
carga específica, (kg / s de peróxido de hidrógeno) / (kg catalizador) - 3.0
tiempo de operación continua, no menos de, s — 150
parámetros vapor-gas a la salida del gasificador:
- presión, barra - 16
- temperatura, K - 900

El gasificador está integrado en el diseño del cabezal de la boquilla. Sus fondos de vidrio, interior y medio forman la cavidad del gasificador. Los fondos están interconectados por inyectores de combustible. La distancia entre los fondos está regulada por la altura del vaso. El volumen entre los inyectores de combustible está lleno de catalizador sólido.

La mayoría de los aparatos que generan combustión usan el método de quemar combustible en el aire. Sin embargo, hay dos circunstancias en las que puede ser deseable o necesario utilizar un agente oxidante distinto del aire: 1) cuando es necesario generar energía en un lugar donde el suministro de aire es limitado, por ejemplo, bajo el agua o muy por encima La superficie de la tierra; 2) cuando se desee obtener en poco tiempo una cantidad muy grande de energía de sus fuentes compactas, por ejemplo, en explosivos propulsores de armas, en instalaciones para el despegue de aeronaves (aceleradores) o en cohetes. En algunos de estos casos, en principio, es posible utilizar aire precomprimido y almacenado en recipientes a presión adecuados; sin embargo, este método a menudo no es práctico, ya que el peso de los cilindros (u otros tipos de almacenamiento) es de aproximadamente 4 kg por 1 kg de aire; el peso de tara para un producto líquido o sólido es de 1 kg/kg o incluso menos.

En el caso de que se use un dispositivo pequeño y el enfoque principal esté en la simplicidad del diseño, por ejemplo, en cartuchos de armas de fuego o en un cohete pequeño, se usa un propulsor sólido que contiene combustible y oxidante estrechamente mezclados. Los sistemas de combustible líquido son más complejos, pero ofrecen dos ventajas distintas sobre los sistemas de combustible sólido:

1. El líquido puede almacenarse en un recipiente de material liviano e inyectarse en una cámara de combustión, cuyas dimensiones solo necesitan satisfacer el requisito de lograr la tasa de combustión deseada (la técnica de soplar materia sólida en la cámara de combustión a alta presión es generalmente insatisfactorio; por lo tanto, toda la carga de combustible sólido desde el principio debe estar ubicada en la cámara de combustión, por lo que debe ser grande y resistente).
2. La tasa de generación de energía se puede cambiar y controlar cambiando apropiadamente la tasa de suministro de fluido. Por esta razón, se utilizan combinaciones de oxidantes líquidos y combustibles para varios motores de cohetes relativamente grandes, para motores de submarinos, torpedos, etc.

El oxidante líquido ideal debería tener muchas propiedades deseables, pero las más importantes desde un punto de vista práctico son las siguientes tres: 1) liberación significativa de energía durante la reacción, 2) resistencia comparativa al impacto y a temperaturas elevadas, y 3) bajo costo de fabricación. . Sin embargo, es deseable que el oxidante no sea corrosivo ni tóxico, que reaccione rápidamente y que tenga propiedades físicas apropiadas, como bajo punto de congelación, alto punto de ebullición, alta densidad, baja viscosidad, etc. parte integral de un combustible para cohetes, la temperatura de llama alcanzada y el peso molecular promedio de los productos de combustión son de particular importancia. Obviamente, ningún compuesto químico puede satisfacer todos los requisitos de un agente oxidante ideal. Y hay muy pocas sustancias que posean siquiera aproximadamente la combinación deseada de propiedades, y solo tres de ellas han encontrado algún uso: oxígeno líquido, ácido nítrico concentrado y peróxido de hidrógeno concentrado.

El peróxido de hidrógeno tiene la desventaja de que, incluso al 100 % de concentración, contiene solo un 47 % en peso de oxígeno, que se puede utilizar para la combustión de combustible, mientras que en el ácido nítrico el contenido de oxígeno activo es del 63,5 %, y para el oxígeno puro es posible incluso un 100 %. % utilización. Este inconveniente se compensa con una importante liberación de calor durante la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. De hecho, la potencia de estos tres comburentes o el empuje desarrollado por unidad de su peso en cualquier sistema particular y con cualquier tipo de combustible puede diferir como máximo en un 10-20%, por lo que la elección de uno u otro comburente para un sistema de dos componentes generalmente está determinado por otras consideraciones. El peróxido de hidrógeno como fuente de energía se suministró por primera vez en Alemania en 1934 en la búsqueda de nuevos tipos de energía (independientes del aire) para la propulsión de submarinos. Esta aplicación militar potencial estimuló la desarrollo industrial del método de la empresa "Electrochemische Werke" de Munich (EW M.) para la concentración de peróxido de hidrógeno para obtener soluciones acuosas de alta concentración, que pudieran ser transportadas y almacenadas con una aceptable baja tasa de descomposición. En un principio se producía una solución acuosa al 60% para necesidades militares, pero luego se aumentó esta concentración y finalmente comenzaron a recibir peróxido al 85%. La creciente disponibilidad de peróxido de hidrógeno altamente concentrado a finales de los años treinta de este siglo llevó a su uso en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial como fuente de energía para otras necesidades militares. Así, el peróxido de hidrógeno se utilizó por primera vez en 1937 en Alemania como agente auxiliar en el combustible para motores de aviones y cohetes.

Soluciones altamente concentradas que contenían hasta un 90% de peróxido de hidrógeno también fueron producidas a escala industrial al final de la Segunda Guerra Mundial por Buffalo Electro-Chemical Co en los EE. UU. y W. Laporte Ltda." En Gran Bretaña. La encarnación de la idea del proceso de generación de energía de tracción a partir de peróxido de hidrógeno en un período anterior se presenta en el esquema de Lisholm, que proponía una técnica para generar energía mediante la descomposición térmica del peróxido de hidrógeno con la posterior combustión del combustible en el oxígeno resultante. . Sin embargo, en la práctica, este esquema, aparentemente, no ha encontrado aplicación.

El peróxido de hidrógeno concentrado se puede utilizar como combustible de un solo componente (en este caso se descompone bajo presión y forma una mezcla gaseosa de oxígeno y vapor sobrecalentado) y como oxidante para la combustión de combustible. Mecánicamente, un sistema de un solo componente es más simple, pero proporciona menos potencia por unidad de peso de combustible. En un sistema de dos componentes, se puede descomponer primero el peróxido de hidrógeno y luego quemar el combustible en los productos de descomposición calientes, o bien introducir ambos líquidos en la reacción directamente sin descomponer primero el peróxido de hidrógeno. El segundo método es más fácil de arreglar mecánicamente, pero puede ser difícil asegurar la ignición, así como una combustión uniforme y completa. En cualquier caso, la energía o empuje se genera por la expansión de los gases calientes. Walther, quien participó directamente en el desarrollo de muchas aplicaciones militares del peróxido de hidrógeno en Alemania, describe con gran detalle los diversos tipos de motores de cohetes de peróxido de hidrógeno utilizados en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. El material publicado por él también está ilustrado por una serie de dibujos y fotografías.