Система активной тепловой защиты

 Активная тепловая защита гиперзвукового летательного аппарата по концепции “Аякс” основывается на химическом эндотермическом преобразовании исходного углеводородного топлива за счет утилизации тепловых потерь, связанных с аэродинамическим нагревом планера и работой силовой установки. Это преобразование осуществляется в каталитических реакторах, размещаемых в теплонапряженных частях аппарата, и позволяет:

  • увеличить хладоресурс топлива посредством физико-химических превращений исходных компонентов;
  • обеспечить охлаждение конструкции не только за счет отвода тепла конвекцией и излучением, но и поглощая его в процессе химической реакции непосредственно на защищаемой поверхности;
  • получить водородосодержащую топливную смесь, направляемую в камеру сгорания и улучшающую энергетические и экологические характеристики процесса горения.

Основная идея использования химической регенерации тепла для охлаждения и преобразования топлива ГЛА базируется на том, что газообразные энергоносители, нагревание которых сопровождается протеканием в них эндотермических химических реакций, оптимально решают обе поставленные задачи. Привлекательность химически реагирующего газа как охладителя определяется двумя основными факторами. Во-первых, вследствие теплового эффекта эндотермической реакции существенно увеличивается суммарная теплоемкость газа, поэтому при том же температурном подогреве газа можно значительно увеличить теплосъем с охлаждаемой поверхности. Во-вторых, процесс теплообмена в химически реагирующем газе, наряду с обычным конвективным переносом тепла, включает в себя диффузионный перенос скрытой теплоты реакции, который в отличие от конвективного теплопереноса не создает значительных перепадов температуры. Таким образом, при параллельном действии обоих видов теплопереноса в пограничном слое на охлаждаемой стенке наблюдается существенное увеличение суммарной теплоотдачи. 

Среди множества существующих эндотермических реакций нами рассматривается реакция паровой конверсии углеводородов. Конкретный вид реакции паровой конверсии зависит от условий проведения процесса (температура, давление, отношение вода/углеводород и др.). Так, при высоких температурах (t>1000°С) реакции практически идут до образования только Н2 и СО (высокотемпературная конверсия):

При низких температурах (t<400°С) выход продуктов сильно смещен в сторону образования СН4 и СО2 и результирующую реакцию газификации можно представить в виде (низкотемпературная конверсия):

 В общем случае реакции  сопровождаются еще двумя независимыми обратимыми     реакциями, которые и определяют равновесный состав конвертированного газа:

К сожалению, процесс разложения углеводородов осложнен и нежелательными реакциями образования свободного углерода (кокса). Одним из путей уменьшения коксообразования является применение двухступенчатой схемы разложения. Дело в том, что скорость отложения кокса на поверхности никельсодержащих катализаторов уменьшается в ряду: этилен > бензол > гептан > гексан > бутан > метан. Кроме того, отношение C/H в молекуле метана минимально. Поэтому, если сырьем служит метан, образование углеродных отложений не является сложной проблемой в целом

Пример камеры сгорания с активным тепловым охлаждением

Поступающее из системы подготовки топлива  углеводородное топливо направляется по двум каналам. Основная часть идет в камеру сгорания. Меньшая часть направляется в термохимический реактор, одной из стенок которого является внутренняя стенка цилиндрической камеры сгорания.В термохимический реактор поступают также пары воды.; Полученный в результате паровой конверсии водород смешивается с исходным топливом. Т.о., в камеру сгорания попадает метан, обогащенный водородом, что значительно улучшает качество топливной смеси (в частности, повышается теплотворная способность топлива). Часть выделившейся энергии создает тепловой поток на стенку реактора, который и  используется для  проведения реакции паровой конверсии.  При этом происходит снижение температуры стенки камеры сгорания. 


test