Гелий двигатель


Возможность увеличения удельного импульса жидкостного ракетного двигателя. при добавлении в камеру сгорания гелия

, Brazil br

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск 71 www.mai.ru/science/trudy/ УДК 621.454.2 Проблемные вопросы энергетической увязки параметров жидкостных ракетных двигателей Беляев Е.Н. 1 *, Воробьев А. Г 1 **.,

Подробнее

Глава 1. Работа ионного двигателя

Глава 1. Работа ионного двигателя 1.1 Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивная тяга, а следовательно и принцип действия любого реактивного двигателя, основана на законе сохранения импульса. Поэтому

Подробнее

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический

Подробнее

2. Перечень вопросов по дисциплинам

1. Общие положения Поступающий в магистратуру по направлению подготовки 24.04.05 «Двигатели летательных аппаратов» должен иметь диплом о высшем профессиональном образовании (бакалавра, специалиста или

Подробнее

1) Тесты текущего контроля успеваемости

СТО БТИ АлтГТУ 13.65.1.0688-2014 Приложение В Комплект оценочных средств (контролирующих материалов) по дисциплине 1) Тесты текущего контроля успеваемости Контрольная работа 1. Модуль 1. Основные соотношения

Подробнее

Канд. техн. наук Ю.А. Митиков

УДК 621.642.17 Канд. техн. наук Ю.А. Митиков ГАЗОБАЛЛОННЫЕ СИСТЕМЫ НАДДУВА И РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Проведен анализ схем и параметров самых распространенных горячих гелиевых газобаллонных систем

Подробнее

государственного университета, г. Томск,

УДК 536.46 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ТЯГИ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ Архипов В.А. 1, д.ф.-м.н., Зарко В.Е. 2, д.ф.-м.н., Кискин А.Б. 2, к.ф.-м.н., Коротких А.Г. 3, к.ф.-м.н., Симоненко В.Н. 2,

Подробнее

КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГАЗА

УДК 536.44 КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГАЗА Е. Р. Лихачев Воронежский государственный университет Поступила в редакцию 01.03.2013 г. Аннотация: показано, что кроме критических параметров системы «жидкость-газ»

Подробнее

УДК: Россия, МГТУ им. Баумана

Теоретическая оценка влияния параметров работы воспламенительного устройства на характеристики процесса воспламенения твердого ракетного топлива # 08, август 2014 Козичев В. В. 1,a, Сергеев А. В. 1, Сухов

Подробнее

УДК : А.А. Карпунин, Е.А. Зазирный

УДК 517.518.82:681.5.015 Исследование задачи аппроксимации траектории плоского разворота летательного аппарата в заданном диапазоне высот и скоростей на основе рассчитанных опорных траекторий А.А. Карпунин,

Подробнее

Исследования, конструкции, технологии

14 Исследования, конструкции, технологии УДК 621.43 СОВРЕМЕННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВС С ПЕРСПЕКТИВНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ, ЭКОНОМИЧЕСКИМИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ, ПОЛУЧАЕМЫМИ ЗА СЧЁТ ПОВЫШЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

Подробнее

NOVOTHERM - РАЦИОНАЛ 1

Основы сжигания газа Состав газа и воздуха 2 Полное сгорание газа 3 Сгорание газа при недостатке воздуха 3 Сгорание газа при избытке воздуха 4 Избыток воздуха 5 Технический КПД сгорания газа 6 КПД и температура

Подробнее

ТЕРМОДИНАМИКА. Лекция 2

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Энергия. Энтальпия 3. Теплота и работа 4. Теплоёмкость виды теплоёмкости средняя и истинная теплоёмкости 5. Теплоёмкость идеального газа 6. Зависимость теплоёмкости от температуры

Подробнее

Вестник КрасГАУ

Вестник КрасГАУ. 007. 3 Рис.. Экспериментальный стенд Литература. Каверзин, С.В. Обеспечение работоспособности гидравлического привода при низких температурах / С.В. Каверзин, В.П. Лебедев, Е.А.Сорокин.

Подробнее

Молекулярная физика (начальные

татья I. татья II. сведения) Уже прислана. Молекулярная физика (начальные Раздел 2.01 Моль и молярная масса Задолго до того, как были измерены (вычислены) массы отдельных молекул различных веществ, химики

Подробнее

docplayer.ru

Гелий: назначение и свойства

Введение

Гелий – подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна. По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия. Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество. Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.

В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.

Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций – абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки – и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях – ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.

Огромна роль ядра атома гелия – альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов – то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.

Земной гелий

Гелий – элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер – 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.

В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт Рамзаем в 1895 г.

В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы – высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – 4Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, – это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой – самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, – прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.

Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко – десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений – явление крайне редкое.

Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·1014 м3; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий – легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся – старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий – «выдыхаемый» Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли – в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий – редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе – 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Гелий во Вселенной

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные – и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим – 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования – план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты – Юпитер V – армады кибернетических машин на криотронах (о них – ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость – необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы...

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона – конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней – реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле – 26,7 МэВ на один атом гелия.

Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д.А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звездах.

Известный советский химик А.Ф. Капустинский называл водород и гелий протоэлементами – элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?

Самый, самый...

Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию – 78,61 МэВ. Отсюда – феноменальная химическая пассивность гелия.

За последние 15 лет химикам удалось получить более 150 химических соединений тяжелых благородных газов . Однако инертность гелия остается, как и прежде, вне подозрений.

Вычисления показывают, что если бы и был найден путь получения, скажем фторида или окисла гелия, то при образовании они поглотили бы так много энергии, что получившиеся молекулы были бы «взорваны» этой энергией изнутри.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики – меньше, чем в любом другом веществе. Отсюда – самые низкие значения критических величин, наинизшая температура кипения, наименьшие теплоты испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него но действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет.

Нет также другого газа, столь ничтожно растворимого в жидкостях, особенно полярных, и так мало склонного к адсорбции, как гелий. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость мала.

Поразительно быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из некоторых органических полимеров, фарфора, кварцевого и боросиликатного стекла. Любопытно, что сквозь мягкое стекло гелий диффундирует в 100 раз медленнее, чем сквозь боросиликатное. Гелий может проникать и через многие металлы. Полностью непроницаемы для него лишь железо и металлы платиновой группы, даже раскаленные.

На принципе избирательной проницаемости основан новый метод извлечения чистого гелия из природного газа.

Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Во-вторых, это самая легкая из жидкостей с минимальной величиной поверхностного натяжения.

При температуре 2,172°К происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия. Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II кипит совсем не так, как прочие жидкости, он не бурлит при кипении, поверхность его остается совершенно спокойной. Гелий II проводит тепло в 300 млн раз лучше, чем обычный жидкий гелий (гелий I). Вязкость гелия II практически равна нулю, она в тысячу раз меньше вязкости жидкого водорода. Поэтому гелий II обладает сверхтекучестью – способностью вытекать без трения через капилляры сколь угодно малого диаметра.

Другой стабильный изотоп гелия 3Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре, отстоящей от абсолютного пуля всего на сотые доли градусов. Сверхтекучие гелий-4 и гелий-3 называют квантовыми жидкостями: в них проявляются квантово-механические эффекты еще до их отвердевания. Этим объясняется весьма детальная изученность жидкого гелия. Да и производят его ныне немало – сотни тысяч литров в год. А вот твердый гелий почти не изучен: велики экспериментальные трудности исследования этого самого холодного тела. Бесспорно, пробел этот будет заполнен, так как физики ждут много нового от познания свойств твердого гелия: ведь он тоже квантовое тело.

Инертный, но очень нужный

В конце прошлого века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком – жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»

Действительно, прошло 34 года со дня открытия земного гелия (первое сообщение об этом было опубликовано в 1881 г.), прежде чем он нашел практическое применение. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-технические, электрические и в меньшей мере химические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главными же препятствиями были рассеянность и высокая стоимость элемента №2.

Первыми гелий применили немцы. В 1915 г. они стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды; и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

Инертный, легкий, подвижный, хорошо проводящий тепло гелий – идеальное средство для передавливания из одной емкости в другую легко воспламеняемых жидкостей и порошков; именно эти функции выполняет он в ракетах и управляемых снарядах. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.

С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

Последние годы ознаменованы повторным подъемом дирижаблестроения, теперь на более высокой научно-технической основе. В ряде стран построены и строятся дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и т.п. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.

Начали действовать высокотемпературные ядерные реакторы нового типа, в которых теплоносителем служит гелий.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тыс. эрстед) при ничтожных затратах энергии.

При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле – криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике. Но если бы не ограниченность природных ресурсов, не крайняя рассеянность гелия, он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока остаются «вещью в себе», потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись. Поэтому особенно обидно сознавать, что с горючим природным газом через аппараты химического синтеза, топки и печи проходят и уходят в атмосферу намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелиеносных источников.

Сейчас считается выгодным выделять гелий только в тех случаях, если его содержание в природном газе не меньше 0,05%. Запасы такого газа все время убывают, и не исключено, что они будут исчерпаны еще до конца нашего века. Однако, проблема «гелиевой недостаточности» к этому времени, вероятно, будет решена – частично за счет создания новых, более совершенных методов разделения газов, извлечения из них наиболее ценных, хотя и незначительных по объему фракций, и частично благодаря управляемому термоядерному синтезу. Гелий станет важным, хотя и побочным, продуктом деятельности «искусственных солнц».

Изотопы гелия

В природе существуют два стабильных изотопа гелия: гелий-3 и гелий-4. Легкий изотоп распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий из стабильных изотопов, существующих на нашей планете. Искусственным путем получены еще три изотопа гелия. Все они радиоактивны. Период полураспада гелия-5 – 2,4·10–21 секунды, гелия-6 – 0,83 секунды, гелия-8 – 0,18 секунды. Самый тяжелый изотоп, интересный тем, что в его ядрах на один протон приходится три нейтрона, впервые подучен в Дубне в 60-х годах. Попытки получить гелий-10 пока были неудачны.

Последний твердый газ

В жидкое и твердое состояние гелий был переведен самым последним из всех газов. Особые сложности сжижения и отверждения гелия объясняются строением его атома и некоторыми особенностями физических свойств. В частности, гелий, как и водород, при температуре выше – 250°C, расширяясь, не охлаждается, а нагревается. С другой стороны, критическая температура гелия крайне низка. Именно поэтому жидкий гелий впервые удалось получить лишь в 1908, а твердый – в 1926 г.

Гелиевый воздух

Воздух, в котором весь азот или большая его часть заменена гелием, сегодня уже не новость. Его широко используют на земле, под землей и под водой.

Гелиевый воздух втрое легче и намного подвижнее обычного воздуха. Он активнее ведет себя в легких – быстро подводит кислород и быстро эвакуирует углекислый газ. Вот почему гелиевый воздух дают больным при расстройствах дыхания и некоторых операциях. Он снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани.

Дыхание гелиевым воздухом практически исключает азотную эмболию (кессонную болезнь), которой при переходе от повышенного давления к нормальному подвержены водолазы и специалисты других профессий, работа которых проходит в условиях повышенного давления. Причина этой болезни – довольно значительная, особенно при повышенном давлении, растворимость азота в крови. По мере уменьшения давления он выделяется в виде газовых пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды, повредить нервные узлы... В отличие от азота, гелий практически нерастворим в жидкостях организма, поэтому он не может быть причиной кессонной болезни. К тому же гелиевый воздух исключает возникновение «азотного наркоза», внешне сходного с алкогольным опьянением.

Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную. Но пока за пределы земной атмосферы искусственный гелиевый воздух еще не поднимался.

Гелий в скафандре

У космобиологов уже давно сложилось убеждение, что нет и не может быть газовой среды, которая была бы в равной степени хороша для любых условии космического полета. «Земной» воздух — не исключение. Его достоинства самоочевидны, именно они — причина того, что атмосфера во всех наших «Востоках», «Восходах» и «Союзах» состояла из обычного воздуха. Но в некоторых условиях обычный и привычный земной воздух может из друга превратиться во врага или не очень надежного друга...

Уже при полете к Луне на космический корабль воздействуют три источника радиации: излучение радиационных поясов Земли, галактическое космическое излучение и корпускулярное излучение солнечных вспышек. Предусмотреть интенсивность последнего практически невозможно. Даже при надежной защите корабля обычный воздух в этих условиях может стать источником вторичной — наведенной радиации. Точнее, источником станут атомы азота, из которого атмосфера корабля состоит почти на 80%. Из этой ситуации может быть лишь два выхода: или намного усложнять и утяжелять средства радиационной защиты, или создавать внутри корабля атмосферу, в которой невозможно возникновение наведенной радиации.

В аварийной ситуации может проявиться и другой «минус» обычного воздуха. Космический полет проходит в условиях глубокого вакуума. При случайной непредвиденной разгерметизации корабля космонавт подвергнется сразу нескольким опасностям. От многих из них, в том числе и от острого кислородного голодания, его защитит скафандр. Но будут ли участники длительных космических полетов постоянно находиться в скафандрах?!

Наконец, третий недостаток обычного воздуха как среды обитания космонавтов состоит в том, что эта газовая смесь — далеко не самая легкая. Собственно, не так тяжел сам воздух. От замены его даже водородом (представим на минуту, что это возможно) вес корабля заметно не изменится. Но ведь воздух, которым дышат космонавты, надо постоянно регенерировать. Циркуляция и вентиляция требуют затрат энергии. Чем легче газ, тем легче вентиляционные устройства, тем меньше вес источников энергии.

Конечно, естественные достоинства земного воздуха с лихвой перекрывают эти минусы, но не считаться с ними нельзя — вопрос-то гамлетовский: быть или не быть. Поэтому не прекращаются поиски и исследования других вариантов воздушной среды, пригодной для жизни в космосе. И если без кислорода никак не обойдешься, то азот воздуха, не играющий в жизненно важных процессах большой роли, может быть изъят или заменен.

В отечественной и зарубежной научной литературе фигурируют пять реальных вариантов газовой среды для кабин космических кораблей. Первый — обычный воздух: 78% Na, 21% Oz; 1% — все остальное: водород, инертные газы, СОа и другие. Второй, третий и четвертый варианты предполагают полное или частичное удаление из обычного воздуха балластного азота. Но, как известно, чистым кислородом долго дышать нельзя. Чтобы избежать кислородного отравления, давление в кабине снижается (человеку в космическом скафандре это снижение давления, естественно, ничем не грозит), так что парциальное давление кислорода остается таким же, как в нормальных условиях.

Газовая среда, освобожденная от азота, позволяет существенно уменьшить вес кабин. Именно такая среда была в кабинах американских космических кораблей «Меркурий», «Джемини», «Аполлон».

В опытах, поставленных в нашей стране, были подтверждены почти все достоинства атмосферы пониженного давления. Ей действительно не свойственны недостатки естественной воздушной среды. Но у нее свои минусы. Во-первых, в сильно разреженной атмосфере нельзя находиться без скафандра или с открытым скафандром. Во-вторых, и при низком давлении чистый кислород все-таки раздражает верхние дыхательные пути. В-третьих, в атмосфере чистого кислорода, да еще при пониженном давлении, намного увеличивается вероятность пожара. Значит, нужно предусматривать на борту какую-то технику пожарной безопасности, а она тоже что-то весит...

И, наконец, пятый вариант—атмосфера, в которой весь азот заменен гелием.

Теоретически предпосылки для такой замены были обнадеживающими. Феноменальная химическая пассивность гелия должна была гарантировать неизменность направления и характера биохимических реакций организма.

Однако все эти выкладки нужно было подтвердить опытами.

В камеру, заполненную гелио-кислородной смесью, поместили несколько белых мышей. Животные получали нормальный корм, воду; необычный воздух тщательно регенерировался. За мышами вели постоянное наблюдение. Эксперимент длился больше пятидесяти дней. Никаких существенных изменений в поведении и жизнедеятельности животных не наблюдалось. В ходе опыта не погибла ни одна мышь, напротив, у одной из них родились мышата, и население камеры увеличилось. После окончания опыта исследовали ткани и органы животных, долгое время находившихся или даже родившихся в гелио-кислородной среде, но никаких изменений, причиной которых мог быть гелий, обнаружено не было.

Другое важное свойство гелия как заменителя азота — прочность и компактность его молекул. Есть все основания считать, что в гелио-кислородной среде опасность наведенной радиации практически исключена. Растворимость гелия в крови, моче, лимфе и особенно жирах намного меньше, чем азота. Это уменьшает опасность декомпрессионных расстройств при резких перепадах давления. Не случайно гелио-кислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов.

И плюс ко всему гелий намного легче азота.

Данные многих опытов на животных и с участием человека были за гелиевый воздух. Но все опыты на людях были кратковременны. Как скажется на человеке долгое пребывание в гелио-кислородной среде? Точный ответ на этот вопрос дали проведенные несколько лет назад опыты советских биологов профессора А. Г. Кузнецова и кандидата медицинских наук А. Г. Дианова. Было проведено два эксперимента продолжительностью один—22, другой—30 дней, в которых участвовали молодые, абсолютно здоровые люди. Первые два дня герметическая камера была заполнена обыкновенным воздухом. За это время медики сняли фоновые данные. На третий день произошла смена среды обитания. Сначала камеру провентилировали чистым медицинским кислородом, который не только вытеснил азот, но и «вымыл» этот газ из организма участника опыта. Когда концентрация кислорода в воздухе камеры достигла 97%, его подачу прекратили и начали подавать гелий. В этот жедень в камере установилась атмосфера примерно такого состава: 22,5% O2,76% Не и 1,5% N2. Все остальное—питание, режим, одежда — осталось неизменным.

В первые же часы пребывания испытателя в гелио-кислородной среде было зарегистрировано интересное явление. Сообщая о самочувствии он сказал, что все в порядке. Речь его была вполне разборчивой, но голос неузнаваемо изменился. Вместо привычного баритона слышался высокий, почти мальчишеский тенорок.

Подобные изменения голоса, правда не столь резкие, наблюдались и у водолазов. Объясняется это разницей в скорости распространения звуковых колебаний в разных средах, в результате чего звуковой спектр может сместиться почти на целую октаву.

Прошло еще несколько часов и испытатель сообщил, что в камере похолодало. Однако термометр не показывал изменения температуры — изменились теплоощущения испытателя. Высокая теплопроводность гелия сдвинула зону температурного комфорта. В условиях обычного воздуха эта зона— 18—24°С; в «гелиевом» воздухе— 24,5—27,5°С днем, когда испытатель бодрствует, и 26—29° С ночью. В дальнейшем опыт проходил в условиях комфортной температуры. Все дни ни на минуту не прекращались наблюдения, брались пробы, но никаких существенных отклонений в самочувствии, поведении, работоспособности испытателя, кроме тех двух, что были замечены в самом начале опыта, обнаружить не удалось.

Главным недостатком гелиевого воздуха оказалась все та же повышенная теплопроводность. В условиях разогрева оболочки корабля гелиевый воздух может не охлаждать, а перегревать организм (при температуре среды выше 36— 37° С. При меньших же температурах вентилировать космический скафандр гелиевым воздухом технически выгоднее, чем обыкновенным.

Во время полетов всех советских космонавтов в их кораблях поддерживалась «атмосфера № I» — обычный воздух, земное давление, нормальная влажность. Но это не значит, что во всех дальнейших полетах будет использоваться только такая атмосфера. У гелиевого воздуха есть хорошие шансы слетать в космос.

Свойства гелия

Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3.

Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.

Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота — подобно шампанскому при открывании бутылки.

Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.

При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Еще не вечный, но уже безвредный

В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель, который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.

По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

mirznanii.com

жидкостный ракетный двигатель на топливе, содержащем гелиевую добавку - патент РФ 2273754

Изобретение относится к ракетной технике и, в частности, к жидкостным ракетным двигателям, использующим гелий в качестве охладителя корпуса камеры двигателя. Жидкостный ракетный двигатель включает камеру двигателя, состоящую из камеры сгорания, и сопло, имеющие каналы регенеративного охлаждения, турбонасосный агрегат, включающий центробежные насосы окислителя, горючего и гелия, газогенератор нейтрального газа, питаемый от насосов окислителя и горючего, а выход из насоса гелия соединен с регенеративным трактом охлаждения камеры сгорания, выход из которого соединен с указанным газогенератором, причем выход из газогенератора соединен с турбиной турбонасосного агрегата, выход из которой соединен с магистралью подвода окислителя в смесительную головку камеры сгорания. Кроме того, охлаждение сопла камеры осуществляется горючим, которое, пройдя каналы регенеративного охлаждения, поступает в смесительную головку. Камера сгорания камеры двигателя и газогенератор работают при стехиометрическом соотношении компонентов топлива. Введение гелиевой добавки в продукты сгорания основных компонентов топлива в газогенератор нейтрального газа и далее в камеру сгорания камеры двигателя позволяет увеличить удельный импульс тяги двигателя на ˜ 20 с, а с учетом отказа от завесного охлаждения до ˜ 30 с и более. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2273754

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к конструированию жидкостных ракетных двигателей.

Наиболее важным показателем совершенства жидкостных ракетных двигателей является величина удельного импульса тяги, зависящая прежде всего от энергетических возможностей используемого топлива, проявляющихся, в частности, в температуре его горения. Вместе с тем известно, что удельный импульс тяги существенно зависит также от значения молекулярной массы истекающих продуктов горения.

Предшествующий уровень техники.

В последние годы развитие кислородно-керосиновых жидкостных ракетных двигателей идет по пути использования замкнутой схемы с дожиганием турбогаза в камере двигателя (см., например, книгу: Козлов А.А. и др. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М.: Машиностроение, 1988, стр. 115-125). Здесь турбина турбонасосного агрегата, питаемая рабочим газом из газогенератора, приводит в действие насосы, которые подают компоненты топлива в газогенератор и камеру сгорания, причем рабочий газ из газогенератора после срабатывания на турбине турбонасосного агрегата подается в камеру сгорания, где происходит его дожигание. Таким образом, энергия топлива используется максимально полно. Данное решение принимаем за аналог.

Однако такой схеме присущи и недостатки, поскольку при использовании для привода турбины высокотемпературного окислительного газа сохраняется в нештатной ситуации потенциальная опасность возгорания проточной части турбины.

Прототипом заявляемого технического решения является кислородно-керосиновый жидкостный ракетный двигатель, защищенный патентом РФ 2148181, МКИ F 02 K 9/48. Сущность этого изобретения состоит в комбинированном использовании гелия и в качестве рабочего тела нескольких последовательно установленных турбин системы подачи компонентов топлива и собственно гелия, и как рабочего тела, используемого для охлаждения камеры двигателя. При этом гелий циркулирует по замкнутому контуру, в который входят и каналы регенеративного охлаждения камеры. Благодаря высоким теплосъемным свойствам гелия удается отказаться от использования завесного охлаждения камер и за счет этого увеличить удельный импульс тяги на 10-15 с.

К недостатку такого предложения следует отнести использование сложного многоступенчатого гелиевого компрессора значительной (из-за весьма малой плотности рабочего тела) мощности. Проблемой является и обеспечение герметичности замкнутого гелиевого контура, особенно по вращающемуся валу турбонасосного агрегата.

Задачей настоящего изобретения является дальнейшее совершенствование жидкостного ракетного двигателя замкнутой схемы за счет реализации всех физических и термодинамических достоинств гелия, используемого в качестве топливной добавки.

Поставленная задача достигается за счет того, что в жидкостном ракетном двигателе, содержащем камеру сгорания с соплом, которые снабжены каналами регенеративного охлаждения, турбонасосную систему подачи окислителя и горючего в камеру сгорания двигателя, гелиевый контур регенеративного охлаждения камеры, включающий агрегат подачи с турбинным приводом, при этом в качестве агрегата подачи рабочего тела гелиевого контура использован центробежный насос, причем указанный контур является расходным и со стороны выхода из каналов регенеративного охлаждения соединен с газогенератором нейтрального турбогаза, имеющим подвод топлива от напорных магистралей окислителя и горючего, при этом выход из газогенератора соединен со входом в турбину, а ее выход соединен с камерой сгорания двигателя. Кроме того, в гелиевый контур входят каналы регенеративного охлаждения камеры сгорания, а каналы регенеративного охлаждения сопла соединены с напорной магистралью горючего. Газогенератор нейтрального газа и камера сгорания работают при стехиометрическом соотношении расходов основных компонентов топлива.

Технический результат предлагаемого решения заключается в увеличении удельного импульса двигателя за счет повышения значения газовой постоянной продуктов выхлопа из сопла камеры при введении гелиевой добавки, а также в повышении надежности двигателя за счет отказа от высокотемпературного окислительного турбогаза и замены сложного многоступенчатого компрессора подачи гелия на более простой центробежный насос.

Пневмогидравлическая схема жидкостного ракетного двигателя, содержащая предлагаемое техническое решение, изображена на прилагаемом чертеже.

Пример реализации изобретения.

Жидкостный ракетный двигатель содержит камеру 1 двигателя, включающую камеру сгорания 2, смесительную головку 3 и сопло 4, причем камера сгорания и сопло снабжены каналами регенеративного охлаждения 5 и 6 соответственно. Кроме того, двигатель содержит турбонасосную систему 7 подачи окислителя и горючего в камеру сгорания, газогенератор нейтрального газа 8 расходный гелиевый контур 9.

Турбонасосная система 7 подачи содержит центробежный насос окислителя, имеющий первую 10 и вторую 11 ступени, центробежный насос горючего 12 и турбину 13, установленные на одном валу 14.

В гелиевый контур входит центробежный насос 15, который в заявленном изобретении установлен на валу 14, магистраль 16, соединяющая выход центробежного насоса 15 с каналами регенеративного охлаждения 5 камеры сгорания 2, и магистраль 17, соединяющая указанные каналы со входом в газогенератор нейтрального газа 8.

Подача окислителя в газогенератор 8 осуществляется с выхода второй ступени 11 насоса окислителя через магистраль 18, а горючего - центробежным насосом горючего 12 через магистраль 19.

Подача окислителя в смесительную головку 3 камеры сгорания 2 осуществляется с выхода первой ступени 10 центробежного насоса окислителя через магистраль 20, а горючего - также центробежным насосом горючего 12 через магистраль 21, каналы регенеративного охлаждения 6 сопла 4 и магистраль 22, выход из которой соединен со смесительной головкой 3.

Выход газогенератора нейтрального газа 8 соединен со входом турбины 13, выход из которой через магистраль 23 соединен с магистралью 20.

Работа устройства

Запуск жидкостного ракетного двигателя осуществляется следующим образом. После открытия соответсвующих клапанов окислитель и горючее из баков (не показано) поступает в центробежный насос горючего 12, в первую ступень 10 и вторую ступень 11 центробежного насоса окислителя. Далее окислитель и горючее с выходов указанных насосов поступают в определенной последовательности в газогенератор нейтрального газа 8 и в смесительную головку 3 камеры сгорания 2, где производится их поджиг, например, с помощью электрозапальных устройств (не показано) или за счет использования пускового горючего.

Подача окислителя в газогенератор нейтрального газа 8 осуществляется с выхода второй ступени 11 насоса окислителя через магистраль 18, а горючего - центробежным насосом горючего 12 через магистраль 19. При этом в газогенераторе обеспечивается стехиометрическое соотношение (=1) окислителя и горючего, необходимое снижение температуры нейтрального газа (турбогаза) до значений, допускаемых используемыми конструктивными материалами турбины 13, реализуется за счет балластировки турбогаза вводом в газогенератор 8 гелия из гелиевого контура. При этом гелий с выхода центробежного насоса 15 по магистрали 16 входит в каналы регенеративного охлаждения 5 камеры сгорания 2, а из них подогретый гелий по магистрали 17 поступает в газогенератор нейтрального газа 8.

Подача окислителя в смесительную головку 3 камеры сгорания 2 осуществляется по магистрали 20 с выхода первой ступени 10 центробежного насоса окислителя. Каналы 6 регенеративного охлаждения сопла 4 охлаждаются основной долей горючего, подаваемой центробежным насосом 12 через магистраль 21 и магистраль 22 в смесительную головку 3. Образовавшийся нейтральный генераторный газ поступает на привод турбины 13 и через магистраль 23 поступает в магистраль окислителя 20, поступая, в конечном счете, в камеру сгорания 2. По мере роста оборотов турбины жидкостный ракетный двигатель выходит на основной режим работы.

Введение гелиевой добавки в продукты сгорания основных компонентов топлива в газогенераторе позволило существенно увеличить значение газовой постоянной продуктов газогенерации. В результате удается значительно увеличить работоспособность турбины турбонасосного агрегата, поднять давление нагнетания и соответственно рабочее давление в камере сгорания при ее надежном охлаждении. С другой стороны, последующий ввод гелиевой составляющей в камеру позволяет реализовать в камере сгорания также стехиометрическое сжигание с повышенным значением газовой постоянной продуктов выхлопа из сопла. В итоге даже при заметно пониженной (из-за гелиевого "балласта") температуре продуктов сгорания для варианта 10% вес. добавки гелия удается увеличить удельный импульс тяги двигателя на ˜20 с, а с учетом отказа от завесного охлаждения ˜до 30 с и более.

Промышленная применимость

Заявленный жидкостный ракетный двигатель может найти применение в ракетной технике при использовании топлива с гелиевой добавкой.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Жидкостный ракетный двигатель на топливе, содержащем гелиевую добавку, включающий камеру сгорания с соплом, которые снабжены каналами регенеративного охлаждения, турбонасосную систему подачи окислителя и горючего в камеру сгорания двигателя и гелиевый контур регенеративного охлаждения камеры, включающий агрегат подачи с турбинным приводом, отличающийся тем, что в качестве агрегата подачи рабочего тела гелиевого контура использован центробежный насос, причем указанный контур является расходным и со стороны выхода из каналов регенеративного охлаждения соединен с газогенератором нейтрального турбогаза, имеющим подвод топлива от напорных магистралей окислителя и горючего, при этом выход из газогенератора соединен со входом в турбину, а ее выход соединен с камерой сгорания двигателя.

2. Жидкостный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в гелиевый контур входят каналы регенеративного охлаждения камеры сгорания, а каналы регенеративного охлаждения сопла соединены с напорной магистралью горючего.

3. Жидкостный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газогенератор нейтрального газа и камера сгорания работают при стехиометрическом соотношении компонентов топлива.

4. Жидкостный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что насосные агрегаты окислителя, горючего, гелия и турбина установлены на одном валу.

www.freepatent.ru

Гелий применение в промышленности - Знаешь как

Альфа частица— Среди ядер ему нет равных по степени устойчивости, так как спины двух протонов

Антигелий— При столкновении друг с другом частица и античастица должны исчезнуть, превратиться

Атмосфера и инертные компоненты— Вся масса атмосферы, приблизительно равная 5150 триллионам

Атомы благородных газов— Образуют пару — по одному от каждого атома

Атомы инертных газов— Построены симметрично, их эл-ные конфигурации замкнуты и максимально

Астрофизика— Термоядерные реакции, происходящие, как предполагается, в недрах Солнца

В земных недрах— Природный гелий легкий изотоп встречается весьма редко

Во вселенной— Все планеты солнечной системы содержат радиогенный гелий

В поисках— литр азота воздуха, весил больше литра «химического» азота на 1,6 мг

Газообразный гелий— Плотность гелия по отношению к воздуху составляет 0,138, удельный объем

Гелий в звездах— В звездах сосредоточено свыше 97 % вещества Вселенной

Гелий самый— Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию —78,61 эв

Гелиевые часы— Первые научные попытки оценить возраст Земли относятся к XVIII веку

Земной гелий— Подлинно благородный газ. Заставить его вступить в реакции пока не удалось

Земной гелий продукт атомного распада— Естественный α-распад обнаружен у 29 изотопов земных

Знакомство с газами— За химическую безучастность их называют инертными, недеятельными

Инертный— Технологические процессы и операции нельзя в воздушной среде

Инертные газы применение— От металлургии и ракетостроения до медицины и консервирования

Инертные газы в таблице Менделеева— Поместил группу инертных газов в левой части

Инертны на земле— В земной коре инертные газы встречаются повсеместно

Инертны в атмосфере— Из тяжелого изотопа ⁴Не; он продукт α-распада тяжелых радиоактивных

Изотоп изгнанник— Наряду с обычным гелием возникает его ранее неизвестный изотоп — гелий-3

Искусственный воздух— В крови водолаза, кессонного рабочего во время длительного пребывания

Источники— Из глубинных частей планеты в атмосферу, а затем в космическое пространство

Клатратные соединения— Их название происходит от латинского clatratus, что означает огороженный

Куда девается гелий— Медленно улетучивается из атмосферы в космическое пространство

Коллективы молекул— Происходит сцепление молекул; без них распадались бы кристаллы

На земле— Содержание гелия во внешних оболочках Земли, в десятки миллиардов раз меньше

На службе общества— Сыграли оригинальные физико-механические и электрические свойства

На Солнце— Астрономы обнаружили гелий в атмосфере Солнца

Нейтрино— Синтез водорода и гелия, как показал Бете, должен идти не прямым путем

Нейтронная материя— Этот изотоп в отличие от основного содержал четыре нейтрона

Открытие инертных газов— Ученый наполнил V-образную стеклянную трубку смесью воздуха

Получение— Газообразный гелий выводится через верхнюю часть разделительного аппарата

Получение из воздуха— Мощные воздухоразделительные машины производят огромные

Потребление— Прогнозируемое к 2015 г. мировое потребление гелия оценивается в 150 млн. м³

Радиоактивность— Продуктом радиоактивного распада должен быть элемент гелий

Самая холодная жидкость— Ниже минус 271 °С свойства гелия, который получил название

Солнечная корона— Природа солнечных факелов или, как их тогда называли, протуберанцев

Солнечный гелий— Сначала думали, что этот мантийный гелий имеет радиогенное

Состав звездного вещества— В  среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1000

Стабильные и радиоактивные изотопы— Специальные применения стабильные изотопы ²⁰Ne

Торжество опыта— Установка Рамая для выделения аргона из воздуха веществ

Труженик— Полеты на воздушных шарах и аэростатах очень редки

За пределами земли— О космической материи известно немало больше, чем о глубинных слоях

Жидкий гелий— Эффекта Джоуля—Томсона, давно используется в технике для сжижения газов

Жидкий гелий применение— при охлаждении образца ниже 4,2° К его сопротивление полностью

Химия инертных газов— электрическом разряде возникают ионизованные двухатомные

Электроника в мире холода— первое применение сверхпроводимость нашла в электронике

znaesh-kak.com

Рассчет прибыльности комплекса по добыче гелия-3 на Луне.: alternathistory

К спору о гелии-3. Я не собираюсь вступать в дискуссию, что лучше - реакторы на гелии-3 или на дейтерии. Ткже я не собираюсь дискутировать на тему "где легче добыть гелий-3 - на Земле или на Луне". Я просто выполнил самый общий, самый примитивный рассчет комплекса, который - при доступных или перспективных технологиях - смог бы выполнять функцию добычи гелия-3 на Луне, и оценил - сможет ли он приносить прибыль. Я, разумеется, понимаю, что форумчане, хоть им кол на голове теши, все равно будкт уныло твердить про перспективы дейтериево-тритиевых реакторов и легкость добычи гелия-3 на Земле. Ввиду неспособности большинства из них прочитать предупреждение, я ничего иного и не жду. Но я тешу себя надежной, что хоть несколько поймут, что вопрос не о том.

 

Добыча гелия-3

Для начала обговорим, какой суммой мы должны располагать в расчетах. Мы можем предполагать, что 1 т гелия-3 приблизительно равна по выделению энергии 15 миллионам тонн нефти. Приняв цену нефти за баррель равную 100 долларам, получаем 100*(15000000/0,13)=11500000000 долларов (примерно)

Т.е. если ВСЕ затраты на доставку гелия-3 с Луны уложатся в 11 миллиардов долларов, мы уже в изрядной прибыли.

Следовательно, доставка 1 тонны гелия-3 по стоимости должна укладываться в 11 миллиардов долларов.

Доставка объектов на орбиту

Беря по себестоимости, запуск груза ракетой ”Протон” (выводит до 22 тонн) стоит около 25-30 миллионов долларов (реальная цена запуска около 80 миллионов, но в 2004-2006 цена запуска из-за сильной конкуренции была около 25 милионов). Т.е., грубо говоря, на 11 миллиардов мы (в теории) можем запустить на орбиту 440 ракет ”Протон” с 9680 тоннами полезного груза на них.

Разумеется, это все цифры для низкой орбиты. Для Луны придется постараться.

Транспортная возможность: многоразовая двигательная установка

Идея многоразовой двигательной установки представляет собой масштабную переработку программы ”шаттл” в пользу создания транспортного средства нового поколения, для дешевого вывода в Космос крупногабаритных грузов. Преимущества идеи – использование отработанных концепций ”шаттла” с одновременным удешевлением программы.

Система МДУ представляет легкий беспилотный космический аппарат, приспособленный к аэродинамической посадке на планету. Аппарат несет на борту комплекс кислородно-водородных двигателей многоразового использования и навигационное оборудование. Топлива – за исключением самовозгорающегося для маневровых моторов – корабль НЕ НЕСЕТ. Питание двигателей осуществляется из стандартного бака ”шаттла”

Система предназначена для дешевого вывода на орбиту грузов массой около 80-100 тонн. Груз располагается или стандартно, ”сбоку” на баке, или, подобно обычным ракетам-носителям – на вершине бака, доработанного для этой цели трехопорной усиливающей фермой.

При запуске системы, закрепленная на баке с топливом МДУ обеспечивает ее полет своими двигателями, получающими топливо и окислитель из бака. Сразу же после выведения груза на орбиту –– система расстыковывается. Бак падает в атмосферу и сгорает в ней. Полезный груз при помощи двигателей довыведения, смонтированных на нем, выходит на орбиту. МДУ входит в атмосферу и совершает управляемый полет к аэродрому, где обследуется, приводится в порядок и готовится к новому вылету.

Главное достоинство описанной системы – дешевизна и использование отработанных технологий. Система автоматической посадки небольшого челнока была отработана на аппарате X-37. Двигатели, которые предполагается к монтажу на системе, берутся с ”шаттла”. Топливный бак – также с ”шаттла”.

Беспилотность системы и расположение груза вне корпуса корабля позволяет существенно уменьшить ее габариты и увеличить полезную нагрузку. Также, это позволяет сделать более мощной и толстой теплозащиту (путем уменьшения габаритов корабля) и снизить требования надежности (т.к. система беспилотна) В случае использования системы для запусков пилотируемых кораблей класса ”Союз” или ”Клипер”, их предполагается размещать в носовой части, со стандартной системой аварийного.

По приблизительным расчетам, стоимость пуска может уложиться в 80 миллионов долларов (из них 30 – бак, 25 – обслуживание ускорителей), что делает систему вполне экономичной. По сути дела, стандартный двигатель SSME вести всего 3,18 тонн, т.е. система из 5 таких двигателей вряд ли будет весить более 16-18 тонн. Еще более перспективным представляется использование двигателей с центральным телом RS-2200, разрабатываемых корпорацией ”Lockheed” для проекта Venture Star.

Заметим, что создание такой системы возможно и в России на базе наработок по программам ”Клипер” и ”Буран”

Земля-Луна

Вывести объект на орбиту это половина проблемы. Вторая – доставить его к Луне.

Оптимальным решением представляется использование многоразового межорбитального буксира с электроплазменными двигателями VASMIR с питанием от солнечных батарей. Такой корабль пускай и медленно, но крайне эффективно сможет доставлять грузы с орбиты Земли на орбиту Луны. При помощи кораблей-танкеров, выводимых на орбиту тем же ”Протоном” или при помощи тяжелых орбитальных заправочных баков (в случае применения МДУ) корабль сможет доставлять к Луне значительные грузы.

К примеру, по расчетам НАСА, орбитальный буксир с двигателями VASMIR мощностью 1 мегаватт питающимися от солнечных батарей сможет доставить 22-тонный груз к Луне используя всего 4 тонны аргона за 23 дня. Дозаправляясь, буксиры смогут выполнять эффективные транспортные операции на линии Земля-Луна. Предполагается, что 20 тонн аргона кораблю хватит примерно на 4 рейса, т.е. каждый 4-ый старт в случае использования системы “Протон” должен быть кораблем-танкером, выводящим на орбиту корабль с аргоном для дозаправки.

Работы на Луне

Все конструкционные работы на Луне предполагается проводить БЕЗ использования человеческого персонала, а именно – при помощи ”аватарных” роботов, создаваемых в НАСА по программе ”Аватар-М”

Эти роботы-”кентавры” (человекоподобный торс на колесной базе) интересны тем, что в них предполагается ”аватарное” управление. Т.е. оператор, используя перчатки виртуальной реальности или подобные системы (возможно даже, сканеры биотоков) дистанционно управляет роботом, повторяющим синхронно его движения. Такая практика позволяет существенно упростить программирование робота, и сделать его системы столь же многофункциональными, как и человеческие руки.

По расчетам НАСА, робонавт сможет находиться на Луне до 1000 дней без техобслуживания, и, учитывая успешную эксплуатацию марсианских платформ, чье время эксплуатации в разы превысило расчетное – этим данным можно поверить.

Нет нужды перечислять все плюсы, достигаемые за счет использования вместо людей роботов! В сравнении со стоимостью выполнения тех же действий операторами, роботы гораздо дешевле, а эффект ”аватара” делает их почти столь же многофункциональными. Грубо говоря – для робота-аватара не было бы проблемой решить основную техническую проблему марсианской станции ”Спирит” (увязшей в песке), просто дав ей хорошего пинка.

Упомянем лишь основную проблему – запаздывание сигнала за счет расстояния до Луны. По сути дела, эта проблема – единственное узкое место концепции роботов-астронавтов. Но она вполне решаема, если принять дополнительный элемент контроля – станцию управления, выводимую на окололунную орбиту. Смонтировать такую станцию вполне возможно на базе блока ”Заря”, используемого в станции МКС, а доставку на нее людей и оборудования производить кораблями ”Союз” и ”Прогресс”, с использованием разгонных модулей ”Фрегат” и ДМ.

Добыча гелия-3

Собственно, добыча гелия-3 – главная цель экспедиции. Надо заметить, проблема это нелегкая. 1 килограмм гелия-3 выделяется из примерно 150000 тонн реголита, т.е. чтобы собрать тонну, нужно переработать 150 миллионов тонн!

Такая цифра, впрочем, не является нереальной. Простейший способ выделения гелия-3 – термический, путем прогрева лунного грунта на глубину до 2 метров СВЧ-излучением. Температура выделения гелия-3 составляет около 800 градусов Цельсия, что много ниже температуры плавления реголита.

Оптимальным способом добычи является проект комбайна КГД-250, составленного в России. Комбаин этот выгодно отличается от иностранных аналогов тем, что вообще не использует каких-либо ковшей, роторов или иных элементов, которые быстро бы выходили из строя под действием лунной пыли.

По концепции, комбайн представляет собой огромных размеров легкую раму, опирающуюся на колесные тележки по периметру. Снизу рама открыта, сверху – закрыта легким куполом-уловителем из тонкой пленки на пневматических опорах (по схеме надувной космической станции Genesis Bigelow Aerospace, успешно выведенной на орбиту) с самозатягивающимся напылением.

По периметру рамы расположены ”юбки”, обеспечивающие ее плотное прилегание к реголиту и герметизацию конструкции.

Надвинувшись на участок лунного грунта, комбайн опускает ”юбки” и плотно прижимается к почве. Расположенные по периметру рамы СВЧ-установки начинают облучение грунта, нагревая его до 800 градусов. При этом выделяется газовая смесь гелий-3 – гелий-4, которая собирается под куполом уловителя. Производится откачка этой смеси в газольдер, и ее последующее – во время лунной ночи – разделение путем разницы в температуре сжижения. Комбайн поднимает юбки, и переходит на следующий участок грунта.

Один комбайн в год, по расчетам, сможет выделять до 250 кг гелия-3.

Возможно, представляется разумным использовать не 4 крупных комбайна, а большое количество более компактных машин.

В качестве источников энергии предполагаются либо пленочные солнечные батареи, либо атомные источники питания доставляемые на Луну отдельными комплексами.

Существует также возможность организации производства фотоэлементов ”на месте”, при помощи малогабаритных производственных комплексов низкой интенсивности. Не надо забывать, что реголит содержит химически чистый кремний в больших количествах. Разворачивание маломасштабного производства фотоэлементов из местного сырья прямо на Луне может быть более эффективно, чем их доставка с Земли, но это вопрос, напрямую зависящий от возможностей используемой технологии.

Все элементы конструкций доставляются на Луну блоками по 8-10 тонн, и монтируются роботами-аватарами.

Общая схема проекта

Попробуем рассмотреть наш проект с использованием в качестве запуска системы ”Протон” (т.е. 22 тонны на околоземную)

1 – двумя запусками на орбиту доставляется буксир с двигателями VASMIR и 22 тонны горючего для него в корабле-заправщике

2 – ракета ”Протон” выводит на орбиту лунный посадочный модуль с роботами-аватарами. Модуль доставляется к Луне буксиром, и приземляется на ее поверхность. Принимая массу робота в имеющиеся 148 кг (прототип-2) мы можем доставит на Луну одним рейсом до 50 аватаров (естественно, столько рабочих машин одновременно нам не надо, и большая их часть - резервная)

2+(стадия нужна только если не удается добиться телеуправления роботами с Земли) – на орбиту ракетой ”Протон” выводится станция контроля на основе модуля ”Заря”. При помощи буксира станция доставляется к Луне на ее орбиту

3 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 1-ю секцию лунного комбайна. Секция имеет массу до 8 тонн (для мягкой посадки на луну в стандартном) и доставляется к Луне при помощи орбитального буксира.

4 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 2-ю секцию.

5 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира

6 - ракета ”Протон” доставляет на орбиту 3-ю секцию.

 7 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 4-ю секцию.

8 - ракета ”Протон” доставляет на орбиту 5-ю секцию.

9 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира

10 - ракета ”Протон” доставляет на орбиту 6-ю секцию.

 11 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 7-ю секцию.

12 - ракета ”Протон” доставляет на орбиту 8-ю секцию.

12+ - при помощи 2 запусков ракет ”Протон” и 2 запусков ракет ”Союз” на орбиту выводится лунный орбитальный комплекс из корабля ”Союз” и 2-х разгонных блоков ДМ (реальный проект РКК ”Энергия”) Комплекс выводится на орбиту Луны и с 2-мя операторами на борту стыкуется с орбитальной станцией

14 – роботы-аватары на Луне начинают монтаж комбайна из доставленных с Земли секций

15 - 9 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира

16 – 1-3 ракеты ”Протон” доставляют на орбиту груз пленочных фотоэлементов или радиоактивный источник питания. Транспортировка к Луне буксиром.

16+ (если группа запусков) – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира

17 – собранный комбайн начинает работу.

18 - Экипаж остается на орбитальной станции около 180 дней, после чего возвращается на Землю на ”Союзе”. Ему на смену 4-пусковой схемой доставляется следующий.

19+ – при необходимости, производится запуск грузового корабля для снабжения станции, доставляемого буксиром.

20 – после 360 дней работы, комбайн собирает 250 кг гелия-3. Для их возвращения на Землю на орбиту выводится взлетно-посадочная ступень, доставляемая орбитальным буксиром к Луне. Роботы-аватары снимают заполненные баллоны с комбайна, и перемещают их на взлетно-посадочную ступень, которая доставляет их на Землю.

Итого: в активе 250 кг гелия-3, общей стоимостью около 3 миллиардов долларов. А сколько мы потратили?

17-20 запусков ракет “Протон” по минимальной схеме – при управлении роботами-аватарами с Земли – 32 в случае с управлением с орбиты Луны.

При стоимости запусков в 25 миллионов мы потратили на запуски – 425-800 миллионов. При стоимости запусков в 80 миллионов – до 2560 миллионов

Т.е. профицит в 200-440 миллионов явно имеется.

Заметим: это все с учетом МОНТАЖА комплекса (и тут цена может вырасти)

Оценим эксплуатационные расходы (считая, что мы имеем на Луне уже группу роботов и комбайн)

1 – расходы на доставку запчастей оценить трудно, но условно оценим их в 8 запусков ракет ”Протон” в год

2 – соответственно, требуются 2 запуска заправщика для буксира.

2+ – доставка сменных экипажей требует еще 8 запусков.

2++ – еще считайте 2 запуска для снабжения станции

3 – доставка грузов с Луны требует 1 запуска.

Итого мы видим что эксплуатация – 11-23 запуска в год, т.е. 880-1840 миллионов в год (считая по 80 миллионов запуск)

Как можно видеть, проект вполне может окупиться, и приносить чистую прибыль!

 Вывод

При ОПРЕДЕЛЕННЫХ условиях и весьма значительных капиталовложениях, доставка гелия-3 с Луны может стать прибыльынм делом. Разумеется, для этого нужна одна малость - работающий реактор.

Автор - коллега Fonzeppelin

Источник - сайт "Альтернативная История"

натурально мыло аюрведа denop lolipops

 

alternathistory.livejournal.com

Гелий-три — энергия будущего

Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.

«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».

Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».

Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.

Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, — подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. — Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна — источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии... Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».

Зачем нужен гелий-3?

Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.

  • Во-первых, при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет — при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять — а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
  • Во-вторых, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
  • В-третьих, многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз — соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.

В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?

Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы — примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше — около 500 кг.

На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных — практически неисчерпаемых запасах!

Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970 году обнаружил физик Пепин, изучая образцы грунта, доставленные американскими космическими кораблями серии «Аполлон». Однако это открытие не привлекало внимания вплоть до 1985 года, когда физики-ядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.

Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна», показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше — 109 т.

Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.

Проекты добычи гелия-3

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.

Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.

С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:

1. Добыча реголита.

Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.

2. Выделение гелия из реголита.

При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С — почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.

3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, — которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.

Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.

Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.

Главная технологическая проблема

На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий-гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий-тритий.

В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, — 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.

Однако история развития ядерной энергетики (последние полвека) демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для начала реакции в дейтерий-гелиевой смеси.

Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики — сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.

Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня прошлого года в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) — прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.

Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что прототип реактора на гелии-3 появится в ближайшие 20-30 лет, пока эта технология остается чистейшей фантастикой.

Вопрос добычи гелия-3 анализировался экспертами в ходе слушаний по вопросам будущего исследования и освоения Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике комитета по науке палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначен: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.

Как отметил Джон Логсдон, директор Института космической политики из Вашингтона: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 в качестве серьезного предлога для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопом все равно что пятьсот лет назад отправить Колумба в Индию за ураном. Привезти-то он его может, и привез бы, только еще несколько сотен лет никто не знал бы, что с ним делать».

Добыча гелия-3 как национальный проект

«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».

Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».

Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.

Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, — подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. — Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна — источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии... Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».

Интересные материалы:

АНОМАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ Глобальная стратегия NASA построена на лунной базе (7 фото)

nlo-mir.ru

Гелий, Гелий газообразный, Гелий газообразный, Гелий газообразный

  

 

  

    Гелий - бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание 3He составляет 10 - 5 % гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H - изотоп водорода). Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.    Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

    Как образуется гелий

    В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико — несколько кубических сантиметров гелия на грамм.    Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

    Синтез гелия — начало жизни

    Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.    В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т.н. сырой гелий, (He - 70-90 % об.) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).    В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость.    По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США (45 % от мировых ресурсов), далее идут Россия (32 %), Алжир (7 %), Канада (7 %) и Китай (4 %)

    Транспортировка

    Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать автотранспорт, воздушный и железнодорожный транспорт при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.    Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

    Свойства гелия

    Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3.     Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.    Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.    Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.

    Применение

  • Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве
  • в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
  •  в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного газа
  • используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
  • для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
  • в дыхательных смесях для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
  • для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов для заполнения газоразрядных трубок
  • в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
  • в качестве носителя в газовой хроматографии
  • для поиска утечек в трубопроводах и котлах (Гелиевый течеискатель)
  • как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
  • нуклид 3He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
  • нуклид 3He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
  • для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)

    Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

    В 1918 г. впервые для наполнения оболочек дирижаблей был применен гелий. Это, естественно, был американский дирижабль под названием «С-7», произведенный фирмой «Гудиир». Позже гелий стал довольно широко использоваться на американских воздушных кораблях – например, на «ZR-1 Шенандоа». Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.    Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.    В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.    В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.    Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.    Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота — подобно шампанскому при открывании бутылки.    Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.      При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.    «Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

    Еще не вечный, но уже безвредный

    В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель, который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.    По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

 

Наименование показателя Норма по ТУ

Гелий газообразный (сжатый), марка А

ТУ 0271 - 135 - 31323949 - 2005

Гелий газообразный (сжатый), марка Б

ТУ 0271 - 135 - 31323949 - 2005

Объёмная доля гелия, % не менее 99,995 99,99
Объёмная доля водорода, % не более 0,0001 0,0025
Объёмная доля азота, % не более 0,0005 0,002
Объёмная доля кислорода + аргона, % не более 0,0001 0,0006
Объёмная доля CO2 + CO, % не более 0,0002 0,001
Объёмная доля углеводородов, % не более 0,0001 0,0005
Объёмная доля неона, % не более 0,004 0,009
Объёмная доля водяных паров, % не более 0,0005 0,002

    По всем вопросам обращаться по телефону +7(3412) 311-005

www.techgazy.ru


Смотрите также