книги / Ниже 120 по Кельвину

молетам снижаться, мешали пикировать, вести прицель­ ное бомбометание. Попробовали мы вручную выбирать (мужчины еще были в городе в сентябре 1941 г.), но 10 человек расчета не смогли их выбирать. Таким обра­ зом, боевые операции данного вида оружия прекраща­ лись: со временем водород тяжелеет, аэростат снижает­ ся, вместо 3—4 тыс. м зависает низко и преграды для самолета не представляет. Встал вопрос: как быть? Мне пришло в голову выбирать аэростаты лифтовой лебед­ кой. Раздобыл я такую лебедку, привез, но к этому дню не стало электрической энергии. И тогда я вспомнил «Таинственный остров» Жюля Верна. С детства запом­ нилась мне глава «Топливо будущего». Достал эту кни­ гу. Перечитал. Там было прямо написано: что заменит уголь, когда его не станет? Вода. Как вода? А так, вода, разложенная на составные части, водород плюс кисло­ род. Думаю: не пришло ли это время? Ведь мы что де­ лали — выдавливали оболочку аэростата, выпускали так называемый грязный водород, а это все равно что выли­ вать на землю бочку бензина. Думаю: сейчас, когда у меня есть под руками грязный водород, это же топливо. То самое, про которое Жюль Верн писал...

Я договорился с командиром. Сделал просто: шланг от аэростатной оболочки сунул во всасывающую трубу двигателя. Чувствую, двигатель работает. Даю обороты, он обороты принимает. И вдруг ЧП! Выхлоп! Обрат­ ная вспышка, взрыв, газгольдер сгорел. У меня конту­ зия. Руки опустились. Но бензина-то нет. И тут я по­ нял, что надо сделать затвор. Разрывать цепь автомати­ чески. Для этого ничего лучше воды быть не может. Взял я огнетушитель и сделал в нем гидрозатвор. Дви­ гатель сосет водород через воду. Обратная же вспыш­ ка через воду не доходит. Дали разрешение испытать. Приехали генералы. Посмотрели. Все хорошо. Приказа­ ли за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на но­ вый вид топлива. Собрали по городу огнетушители. 600 штук понадобилось. Достали шланги. Короче говоря — все аэростаты выбирать стали на новом топливе, на во­ дороде. Лучше работали, чем на бензине. Я вам скажу, почему лучше. Потому что в холод двигатели на бензи­ не плохо заводятся. Надо их прогревать. На водороде же и при морозе с пол-оборота заводятся».

Были, конечно, и сомнения. Все существовавшие ин­ струкции категорически запрещали использовать гряз­

91

ный устаревший водород, точнее, газовую смесь, в кото­ рой водорода было меньше 83%, из-за ее взрывоопасно­ сти. («Загрязнение» водорода воздухом неизбежно из-за утечек газа.) Было неясно, как влияет лавинообразный процесс сгорания водорода на работу поршневой груп­ пы и других узлов мотора? Выдержат ли двигатели ре­ сурс или хотя бы проработают ли до конца войны? (В том, что война быстро окончится, в 1941 г. были увере­ ны почти все.) Не произойдет ли заклинивание мото­ ров?

Один из двигателей со слабой компрессией и недоста­ точной вентиляцией действительно взорвался.

Но риск оказался оправданным. На водородном топ­ ливе стали работать более 200 двигателей.

Еще один любопытный факт. Осенью и зимой 1941 г. в ленинградских полках аэростатов заграждения из-за нехватки бензина почти все автомобили стояли без дви­ жения. Снаряжение, боеприпасы, раненых, больных пе­ ретаскивали вручную на тележках или санках. А млад­ ший техник-лейтенант Б. И. Шелищ разъезжал по бло­ кадному городу в «легковушке» М-1. Этот необычный ав­ томобиль с двигателем, работавшим на водороде, в 1942 г. в Ленинграде демонстрировался на специальной выставке оборудования, приспособленного к работе в ус­ ловиях блокады.

Сам изобретатель был командирован в Москву. Его опыт использовали в частях ПВО столицы — 300 двига­ телей было (переведено на «грязный» водород.

После Победы многие боевые машины ПВО были списаны, часть из них попала в колхозы и совхозы. И еще долгие годы сохраняли свою работоспособность дви­ гатели, которые во время войны питались водородом.

АВТОМОБИЛИ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ

Если водород успешно использовался как горючее для автомобилей во время Великой Отечественной вой­ ны, то почему бы не применить его в той же роли в мирное время?

Очень важно, что водородное топливо является не только высококалорийным, но и чистым. При сгорании водорода в кислороде, как показали Кавендиш и Лаву­ азье, образуется только вода.

Экспериментальные конструкции автомобилей, рабо­

92

тающие на перспективном топливе, неоднократно созда­ вались и создаются в Советском Союзе и за рубежом. Весьма интересные результаты получены, например, в Институте проблем машиностроения АН УССР. Оказа­ лось, что даже небольшая добавка водорода к бензи­ ну — 5—10% по массе — активизирует процесс сгорания топлива, сокращает расход бензина, кпд двигателя су­ щественно возрастает. Особенно отрадно, что при этом резко падает количество вредных веществ в выхлопных газах. Вот данные: при работе двигателя на смеси 3% водорода, 97% бензина полностью отсутствует окись азо­ та, в 5 раз снижается содержание угарного газа, в 4 ра­ за — несгоревших углеводородов по сравнению с пре­ дельными нормами, допускаемыми государственным стандартом.

Одна из главных проблем: хранение водорода на борту автомобиля. Водород очень легок. При нормаль­ ных условиях 1 л газа (Р = 101325 Па, 7=273,15 К) име­ ет массу всего около 0,09 г. Нечего и думать об исполь­ зовании газообразного водорода при атмосферном дав­ лении, автомобиль должен был бы тащить за собой ги­ гантский газгольдер. Но и емкости со сжатым водородом получаются чересчур тяжелыми и занимают много места.

Поэтому научные сотрудники Института проблем ма­ шиностроения в опытном автомобиле использовали иной принцип. Известно, что некоторые вещества, например гидриды магния, никеля, циркония и некоторых других металлов, интерметаллических соединений, способны при охлаждении до умеренных температур, подобно губке, впитывать в себя водород. При этом атомы водорода размещаются в пустотах между атомами металла, но не образуют 'Сними прочных связей.

В гидриде плотность упаковки водорода может быть большей, чем в сжиженном виде. (Но к сожалению, мас­ са водорода по отношению к массе гидрида составляет всего несколько процентов).

Достаточно нагреть гидриды, и водород может быть извлечен. Важно и то, что водород, упакованный таким образом, не взрывоопасен.

Внешне экспериментальная «Волга» Института про­ блем машиностроения почти не отличается от серийной.

Через гидридный бак проходят две системы трубок: од-

93

Рис. 15. Схема автомобиля, работающего на бензоводороднои сме­

на — для холодной воды, другая — для выхлопных га­ зов. Охлаждение водопроводной водой необходимо при заправке гидридного бака водородом, тепло от горячих выхлопных газов, наоборот, заставляет гидриды отда­ вать водород. В машине установлен двухдиффузорный карбюратор, редуктор, регулятор расхода водорода. Газ подается автоматически. В составе системы регулиро­ вания датчик давления водорода в накопителе гидридно­ го бака и заслонка с электромагнитным приводом на вы­ хлопной трубе. Поддерживается постоянное давление водорода. Если, например, оно падает, автоматически увеличивается подача выхлопных газов в гидридный бак, он больше нагревается и возрастает отдача водоро­ да. Мощность двигателя регулируется изменением со­ става топливной смеси. Всего в гидридиом баке опытной «Волги» хранится 2,4 кг водорода.

Известно, что двигатель внутреннего сгорания в наи­ большей степени загрязняет воздух, когда работает на холостом ходу. Поэтому во время движения по большо­ му городу, когда двигатель работает в «рваном» режи­

94

ме — друг друга сменяют торможние, холостой ход, раз­ гон, целесообразно его питать чистым горючим — только водородом. При равномерной езде по населенному райо­ ну хорошо использовать бензоводородную смесь. А при движении за городом выгоднее всего пользоваться обыч­ ным бензином.

В 1980 г. в Харькове появилась первая в стране водо­ родная колонка. Жители города пользовались такси, не подозревая, что их перевозит автомобиль будущего.

Ученые МГУ, инженеры и преподаватели заводавтуза «Авто-ЗИЛ» ведут испытания грузового автомо­ биля «ЗИЛ-130» с гидридными баками, заправленными водородом.

Машины, подобные описанным, целесообразно ис­ пользовать в большом городе, в карьерах, где часто скапливаются вредные выбросы, в закрытых помещени­ ях, например на складах. Планируется выпуск опытной партии микроавтобусов РАФ, работающих на бензоводородной смеси.

В Калифорнии (США) с 1977 г. находился в опытной эксплуатации 19-местный автобус с двигателем, рабо­ тающим на водороде. На его борту 10 контейнеров, каж­ дый с собственной массой 22,6 кг с титано-железными гидридами, имеющими небольшие добавки марганца. Полная масса гидрида во всех контейнерах равна 907 кг, что обеспечивает пробег 274 км при максимальной ско­ рости до 88 км/ч.

Ученые из сектора механики неоднородных сред Си­ бирского отделения АН СССР под руководством акаде­ мика В. В. Струминского пошли по другому пути. В ба­ гажнике микроавтобуса «РАФ-2203» удалось размес­ тить емкость с жидким водородом. Двигатель внутрен­ него сгорания почти не подвергался переделкам.

Водород в сжиженном состоянии, увы, тоже не пода­ рок для автомобилестроителей: его плотность примерно в 10 раз меньше, чем у бензина.

Подобные конструкции испытывались и за рубежом. Так, в 1972 г., в США был переоборудован серийный гру­ зовик «Форд» — в криогенных емкостях размещалось 150 л жидкого водорода и жидкого кислорода. Испыта­ ния дали такие результаты: расходуя 1 кг бензина, ма­ шина проехала 8,8 км, 1 кг водорода — 35 км.

Американский автомобиль «Датсуи В210» был снаб­ жен криогенным баком емкостью 230 л (16,3 кг водоро­

95

да) с давлением 0,5 МПа. Сам бак имел массу 120 кг. Таким образом, на 1 кг водорода приходилось 7,35 кг массы бака. В перспективе этот показатель, вероятно, удастся снизить примерно в 2 раза.

Оппоненты указывают, что криогенная аппаратура на автомобиле занимает много места, требует очень тща­ тельного изготовления, будет весьма дорогой. Посколь­ ку нельзя создать идеальную теплоизоляцию, жидкий во­ дород все же будет испаряться от притока тепла из «горячей» для него окружающей среды. Давление в ем­ кости или трубопроводе может подняться до опасного значения —нужны предохранительные клапаны, а при длительных остановках неизбежны и потери водорода. Если в жидкий водород попадет атмосферный воздух, образуются взрывоопасные кристаллы твердого кис­ лорода. Если же жидкий водород прольется, он мгновен­ но испарится и образует с воздухом взрывоопасную смесь — гремучий газ. Вот почему необходима тщатель­ ная герметизация топливного бака и всех трубопрово­ дов, установка противопожарной защиты.

Кроме того, двигатели, работающие в атмосфере во­ дорода, подвергаются повышенному износу. Суть этого еще недостаточно изученного явления в том, что мель­ чайшие частицы водорода, обладающие большой прони­ кающей способностью, попадают в узлы трения, прохо­ дят в микротрещины и с большой силой распирают по­ верхность в местах дефектов. От «водородного» износа трущиеся детали служат в 2—3 раза меньше обычного.

Однако перечисленные проблемы вполне разреши­ мы. Дело за инженерами, конструкторами, технологами.

В заключение сравним различные способы хранения водорода в автомобилях. В качестве примера рассмот­ рим серийную автомашину «ЗИЛ-130» грузоподъемно­ стью 5 т. Бензобак емкостью 170 л (132 кг топлива) обеспечивает 410 км пробега. При этом же кпд двигате­ ля такой пробег требует 45,3 кг водорода.

Если водород хранить в газообразном виде под дав­ лением 10 МПа в стандартных стальных баллонах ем­ костью 55 л массой 56 кг каждый, то общая масса тары и газа достигнет 5325 кг, т. е. превысит полезную нагруз­ ку автомашины. Ясно, что это неприемлемо. Только ис­ пользование более легких баллонов с большим давлени­ ем может сделать этот способ хранения топлива конку рентоспособным.

96

Контейнер с гидридом Ла N15 Не содержит 0,5 кг во­ дорода и имеет массу 40—45 кг (из них 35 кг —это мас­ са гидрида). Чтобы хранить тот же запас топлива, необ­ ходимо иметь контейнеры общей массой 3620 кг. Следу­ ет учесть и высокую стоимость лантанникелевого гидрида.

При применении жидкого водорода потребуется ем­ кость 640 л, т. е. примерно в 3,5 раза большая, чем в обычной конструкции. При массе бака 335 кг общая мас­ са тары и топлива составит 380 кг.

«КОСМИЧЕСКИЙ ЧЕЛНОК» И САМОЛЕТЫ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ

Космонавтика стала крупнейшим потребителем воАорода и кислорода, охлажденных до криогенных темпе­ ратур.

15 мая 1987 г. с Байконура поднялся в космос «реак­ тивный аппарат» — новая ракета «Энергия». Ее старто­ вая масса 2400 т, высота около 60 м, максимальный по­ перечный диаметр около 20 м. Конструктивно ракета выполнена из четырех боковых блоков (первая ступень) и центрального (вторая ступень). Каждый боковой блок оснащен ракетным двигателем с тягой 740 т, который работает на жидком кислороде и углеводородном горю­ чем. Центральный блок имеет 4 двигателя каждый с тягой 148 т, использующие «криогенное топливо» — жид­ кий кислород и жидкий водород. Суммарная мощность двигателей «Энергии» поражает воображение: 125 000 МВт! (Для сравнения: это примерно 2/ 3 мощности Еди­ ной энергетической системы Советского Союза, объеди­ няющей около 1000 электростанций.) Ракета может вы­ вести на орбиту больше 100 т полезного груза.

На космодроме Байконур сооружены шаровые храни­ лища для жидкого кислорода, жидкого водорода, жидко­ го азота. Эти емкости, так же как и трубопроводы, ос­ нащены экранно-вакуумной изоляцией. За'правка топ­ ливом осуществляется в автоматическом режиме.

Масса топлива на борту ракеты почти 2 тыс. т. За­ пуски «Энергии» свидетельствуют о несомненных дости­ жениях отечественной криогенной техники.

Глубокий холод используется и в самой конструкции ракеты. Топливные баки, внутрибаковые агрегаты, бал­ лоны для хранения сжиженных газов сделаны из таких

материалов, прочность которых увеличивается от крио­ генных температур, — это дает некоторую экономию массы ракеты.

15 ноября 1988 г. «Энергия» вывела на орбиту ко­ рабль многоразового действия «Буран». Первый полет прошел без космонавтов, впервые была осуществлена ав­ томатическая посадка космического корабля.

С апреля 1981 г. в США начались регулярные поле­ ты «космического челнока» — многоразового воздушно­ космического аппарата «Спейс шаттл». Аппарат состоит

жить и работать до 7 человек, в грузовом отсеке длиной 18,3 м и диаметром 4,5 м размещается полезный груз массой до 29,5 т. Орбитальная ступень рассчитана на ис­ пользование до 100 раз.

Каждый твердотопливный стартовый ускоритель имеет длину 45,5 м и массу 590 т.

Топливный бак высотой с 15-этажный дом (47 м) и диаметром 8,4 м заполняется «криогенным топливом»: на 5/б жидким водородом и на !/б жидким кислородом — всего 713 т горючего и окислителя.

Общая масса всей системы при старте 2040 т, при этом масса топлива 1700 т. «Шаттл» отрывается от Зем­ ли как ракета. Три главных жидкостных реактивных дви­ гателя, работающих на «криогенном топливе», развива­ ют тягу свыше 600 т, твердотопливные стартовые уско­ рители — свыше 2600 т.

Через 2 мин на высоте около 40 км твердотопливные ускорители, выполнившие свою задачу, отделяются и в 260 км от места запуска приводняются на парашютах. Специальные корабли разыскивают их в океане и бук­ сируют на сушу. После ремонта и снаряжения они вновь используются до 20 раз.

Через 8 мин на высоте 113 км отключаются главные жидкостные реактивные двигатели и сбрасывается уже ненужный топливный бак. Он является единственным ут­ рачиваемым элементом системы, сгорает в плотных сло-

98

Рис. 16. Многоразовый воздушно-космический аппарат «Спейс шаттл»

ях атмосферы, а несгоревшие остатки падают в океан. Орбитальная ступень может подняться на высоту до 960 км и находиться в полете до 30 суток. Скорость дви­ жения— около 8 км/с. При необходимости работать в открытом космосе космонавты могут удаляться от ап­ парата на 100 м без страховочного фала. В течение 6 ч действует индивидуальная система жизнеобеспечения и

реактивные двигательные установки.

При прохождении плотных слоев атмосферы тепло­ защитные плитки аппарата, выполненные из кремния и углерода, нагреваются до 1600°С.

Воздушно-космический аппарат приземляется как планер на посадочную полосу длиной несколько кило­ метров. Многотонная машина без двигателя садится на огромной скорости — 350 км/ч. Пилоты работают с вы­ сочайшим напряжением: уйти на второй круг невоз­ можно...

С помощью ракеты «Сатурн-5» были осуществлены три замечательные экспедиции на Луну с высадкой лю­

дей на ее поверхность, программа запусков «шаттлов» с самого начала в значительной степени контролируется Пентагоном.

«Кто владеет космосом, тот владеет миром»,— заяв­ лял бывший министр обороны США К.Уайнбергер. «Вер­ нуть эру американского ядерного превосходства пятиде­ сятых годов!» «Космос — это прежде всего театр воен­ ных действий»,— вторили ему представители военно-про­ мышленного комплекса.

Следуя такой военно-политической концепции, быв­ ший президент Рональд Рейган возвел программу «Шаттл» в ранг национальной. Из 331 запуска «косми­ ческого челнока», запланированного до середины 90-х годов, более трети должны были быть осуществлены ис­ ключительно в военных целях. Во время полета «Дискавери» в ноябре 1984 г. удалось снять с орбиты и с помощью манипулятора поместить в грузовой отсек спут­ ники связи «Палапа» и «Уэстар-6». Их вернули на Зем­ лю для ремонта — раньше такая операция считалась не­ возможной.

...28 января 1986 г. Семеро отважных занимают свои места в отсеках «Челленджера». Команда — Америка в миниатюре: три белых, один негр, один с азиатской кровью с Гавайских островов, две женщины.

Особую симпатию вызывает миловидная Шарон Крис­ та Маколифф, учительница, завоевавшая право полета в космос на общенациональном конкурсе, в котором уча­ ствовали 11 тыс. ее коллег. 2,5 млн. школьников США ждут два ее 15-минутных урока: об устройстве «косми­ ческого челнока» и о нашей планете — как она смотрит­ ся с космических высей. Участие в полете рядовой пас­ сажирки — это ли не доказательство «абсолютной безот­ казности», «100-процентной надежности» полетов «шатт­ лов»?

Сам «Челленджер» — «технологическое чудо» с самой современной электроникой, двигателями огромной мощ­ ности, «безупречной техникой» — как бы воплощение американской мечты.

На космодроме на мысе Канаверал начался отсчет времени: «Три, два, один. Взлет 25-го рейса «Шаттла»!»

...Старт. Пламя. Отрыв. А на 74-й секунде на гла­ зах всей Америки, прильнувшей к телевизионным экра­ нам, «Челленджер» вдруг превратился в огненный шар, затем в чистом небе Флориды возник белый шлейф ды­

100