С водородом человек и человечество знакомы давно. Но массовое его производство и использование было связано с началом эры воздухоплавания - воздушные шары-шарльеры,
и несколько позже - дирижабли
Водород горюч, а в смеси с воздухом, или кислородом - взрывоопасен.
Причем, взрывоопасен в очень широком диапазоне концентраций.
Во время Великой Отечественной войны широко использовались аэростаты заграждения, заполняемые водородом.
Днем их притягивали лебедками к земле, а ночью поднимали на высоту, создавая препятствия для ночных бомбардировок.
Лёгкие газы - водород и гелий - достаточно активно диффундируют через самые газонепроницаемые оболочки - поэтому аэростаты постепенно сдуваются и их надо пополнять несущим газом. Это всем известно и понятно - даже просто из обычных жизненных примеров с поздравительными шариками.
Но, что немногие знают - в аэростат, заполненный водородом и находящийся под давлением, диффундирует окружающий его воздух. И постепенно, вместо чистого водорода, внутри аэростата оказывалась его смесь с воздухом.
Справочно:
"Смеси водорода с кислородом взрываются, если содержание в них водорода превышает 4,5% (по массе) и меньше, чем 95%. Такая смесь состава (по объему) 2:1 дает самый сильный взрыв и называется гремучим газом. В смесях с воздухом водород взрывается, если его в смеси больше 4,1% (тоже по массе) и меньше 74,2%. Взрываются и другие смеси водорода с окислителями. Например, с хлором - если хлора больше 5,8% и меньше 88,5%. Вероятно, взорвется и смесь водорода с диоксидом азота в определенных концентрационных пределах."
Поэтому, при снижении концентрации (объемной) водорода в аэростатах ниже 80% его приходилось выпускать и заменять на свежий. Что достаточно затратно.
Был, в свое время, для дирижаблей, освоен метод флегматизации водорода пропиленом. Добавка нескольких процентов (примерно 1,5%) пропилена.
Механизм флегматизации заключается в том, что молекулы пропилена образуют пространственную структуру, в которой как в клетке заключены атомы водорода. При этом разветвлённая цепная реакция взрывного горения становится невозможной. Просто горение да, детонация нет. Взрывоопасность снижается, но пожароопасность остается.
Водород и ракеты.
Водород в качестве горючего, с окислителем кислородом, дает один из самых высоких, для ЖРД, удельных импульсов. Это громадный плюс водорода, именно поэтому его применяют.
Но... все не так просто. У водорода низкая плотность - как в газообразном, так и сжиженном виде. Отсюда сразу, "автоматом", проявляются следствия:
- Баки для такого же количества (по массе) водорода, нужны значительно большие, а значит более массивные, нежели для, к примеру, керосина.
- Двигатель, при близких давлениях в КС, имеет тяговооруженность (тяга, отнесенная к массе двигателя) значительно меньшую, чем у "керосинки".
- Из предыдущего пункта следует, что "водородник" на одну и ту же тягу, что и "керосинка", при близких давлениях в КС - дороже - даже просто потому, что имеет бОльшую массу. А если учесть, что температуры жидкого водорода намного ниже, чем жидкого кислорода, и это требует более сложных технологий, то различие в стоимости возрастает.
- Инфраструктура космодрома под водород - так же дороже.
Взглянем на все это через формулу Циолковского:
М2 - это бак (баки) и двигатель, к которым добавлена ПН
М1 - то же, плюс топливо (горючее и окислитель)
I - удельный импульс.
Отношение масс стоит под логарифмом, поэтому увеличение сухой массы до определенного предела не компенсирует увеличение удельного импульса - характеристическая скорость при применении водорода получается выше.
Это хорошо работает на верхних ступенях РН - поскольку гравитационных потерь практически нет, или они минимальны - водород здесь вне конкуренции.
Вторая ступень - в случае трехступенчатой ракеты - несколько хуже, чем для верхней, но так же водород дает значительное преимущество. Пример тому - Сатурн-5, если все его параметры соответствуют официально заявленным.
На первой ступени - все не так однозначно. И водород здесь скорее в минус, нежели в плюс.
На первую ступень "ложится" основная часть гравитационных потерь.
Для уменьшения гравитационных потерь нужно иметь более энергичный старт - выше тяговооруженность всей ракеты на старте и бОльшие перегрузки по участку работы первой ступени. Сколько позволяет ПН и конструкция РН.
Но есть массивный бак водорода, есть относительно массивный двигатель (невысокой тяговооруженности) - можно уменьшить стартовую массу только уменьшением топлива в баках. А это снижает характеристическую скорость.
Получается замкнутый круг - как в случае волка, козы и капусты
Увеличиваем характеристическую скорость первой ступени - падает тяговооруженность. Падает тяговооруженность - растут гравитационные потери. Боремся с гравитационными потерями - падает характеристическая скорость.
А если учесть стоимостной фактор - то водород на первой ступени это:
- и неэффективно, и дорого.
Почему же все таки применяют?
Разговор об этом продолжим в следующей части.