ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С ГРАФИТОМ В ПРОТОЧНОЙ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С ГРАФИТОМ В ПРОТОЧНОЙ
ЧАСТИ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
А.В.Каревский
Федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени
М.В.Келдыша» (ФГУП «Центр Келдыша»), ул. Онежская, д. 8, г. Москва, Россия, 125438, тел.
(495)456-96-97, факс (495)456-82-28, e-mail: [email protected]
В ФГУП «Центр Келдыша» разработана концепция электронагревной солнечной
энергодвигательной установки (СЭДУ) с многорежимным кислород-водородным ракетным
двигателем, областью применения которой могут являться существующие и перспективные
средства
межорбитальной
транспортировки
космических
аппаратов.
Принципиальным
элементом такой СЭДУ является тепловой аккумулятор (ТА), в котором осуществляется
периодическое накопление и передача накопленной тепловой энергии рабочему телу – водороду
– перед подачей его в камеру сгорания двигателя СЭДУ. Дополнительный нагрев водорода в ТА
обеспечивает повышенный удельный импульс тяги СЭДУ по сравнению с существующими и
перспективными жидкостными ракетными двигателями традиционных схем.
Наиболее приемлемым материалом для изготовления ТА является графит, обладающий
уникальным
набором
физико-механических
и
технологических
свойств.
В
условиях,
характерных для работы ТА (температура 1000…2000К, давление 1,0…2,0 МПа), начинается
химическое взаимодействие графита с водородом, сопровождаемое его постепенным уносом
графита. Химические реакции между водородом и графитом носят гетерогенный характер, то
есть углерод соединяется с водородом непосредственно в твердой фазе, минуя этап сублимации.
Процесс взаимодействия может быть представлен как последовательность элементарных
химических реакций, для которых возможен теоретический расчет скоростей. Для каждого из
веществ, участвующих в реакциях, дополнительно может быть записано уравнение сохранения
массы в форме баланса скоростей появления и отвода вещества на поверхности графита. В
результате
получается
система
нелинейных
алгебраических
уравнений
относительно
неизвестных концентраций продуктов реакции, решив которую, можно определить скорость
уноса графита.
Проведенные расчеты показали, что в условиях работы теплового аккумулятора процесс
взаимодействия графита с водородом находится в кинетической области, то есть унос графита
лимитируется химическими реакциями, протекающими на поверхности графита, и не зависит от
процессов диффузии. В этом случае скорость уноса графита определяется только температурой и
не зависит от давления водорода. Для кинетической области получена
теоретическая
зависимость скорости уноса графита водородом от температуры, которая достаточно хорошо
согласуется с экспериментальными данными.
THE INTERACTION OF HYDROGEN WITH GRAPHITE IN THE FLOW SECTION
OF THE THERMAL ACCUMULATOR OF SOLAR POWERED PROPULSION SYSTEM
A.V.Karevsky
Federal State Unitary Enterprise “Keldysh Research Center”, Moscow
The kinetics of the processes of the interaction of hydrogen with graphite in the flow section
of the thermal accumulator of solar powered propulsion system is considered. It has been shown that in
the working condition of thermal accumulator the processes of the interaction of hydrogen with graphite
are in the kinetic region, i.e. the graphite ablation is limited by the chemical reactions on the graphite
surface and is not depended from the diffusion. In this case, the rate of graphite ablation is determined
only by temperature and not depended from pressure. For kinetic region the parameters of the processes
of the interaction of hydrogen with graphite (activation energy and pre-exponential factor) has been
determined and theoretical dependence of the rate of graphite ablation with hydrogen as function of
temperature has been obtained.