Катализатор на основе серебра

Сетка из серебряной проволоки и покрытые серебром пластины никеля широко использовались в прошлом для катализа. Никелевая проволока в качестве основы повышает теплостойкость (для концентраций свыше 90%), и более дешёва для массового применения. Для данных исследований было выбрано чистое серебро, чтобы избежать процесса покрытия никеля, а также потому, что мягкий металл можно легко нарезать на полоски, которые затем сворачиваются в колечки. Кроме того, при этом можно избежать проблемы поверхностного износа. Использовались легкодоступные сетки с 26 и 40 нитками на дюйм [10 и 16 ниток на см] (соответственный диаметр проволоки 0,012 и 0,009 дюйма [0,3 и 0,2 мм]).

Состав поверхности и механизм работы катализатора полностью неясны, как следует из множества необъясняемых и противоречивых утверждений в литературе. Каталитическая активность поверхности чистого серебра может быть усилена нанесением нитрата самария с последующим прокаливанием. Это вещество разлагается на оксид самария, но может также окислять серебро. Другие источники в дополнение к этому ссылаются на обработку чистого серебра азотной кислотой, которая растворяет серебро, но также и является окислителем. Ещё более простой способ основан на том, что чисто серебряный катализатор может повышать свою активность при использовании. Это наблюдение было проверено и подтверждено, что привело к использованию катализатора без нитрата самария.

Оксид серебра (Ag2O) имеет коричневато-чёрный цвет, а перекись серебра (Ag2O2) имеет серо-чёрный цвет. Эти цвета появлялись один за другим, показывая, что серебро постепенно окислялось всё больше. Самый тёмный цвет соответствовал наилучшему действию катализатора. Кроме того, поверхность оказывалась всё более неровной по сравнению со "свежим" серебром при анализе под микроскопом.

Был найден простой метод проверки активности катализатора. Отдельные кружки серебряной сетки (диаметр 9/16 дюйма [примерно 14 мм] накладывались на капли перекиси на стальной поверхности. Только что купленная серебряная сетка вызывала медленное "шипение". Наиболее активный катализатор многократно (10 раз) вызывал поток пара в течение 1 секунды.

Настоящее исследование не доказывает, что окисленное серебро является катализатором, или что наблюдаемое потемнение вызвано главным образом окислением. Достойно также упоминания то, что оба оксида серебра, как известно, разлагаются при относительно невысоких температурах. Избыток кислорода во время работы двигателя, однако, может сместить равновесие реакции. Попытки экспериментально выяснить важность окисления и неровностей поверхности однозначного результата не дали. Попытки включали анализ поверхности с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектроскопа (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS), также известного как электронный спектроскопический химический анализатор (Electron Spectroscopy Chemical Analysis, ESCA). Были также сделаны попытки исключить вероятность загрязнения поверхности у свежекупленных серебряных сеток, что ухудшало каталитическую активность.

Независимые проверки показали, что ни нитрат самария, ни его твёрдый продукт разложения (являющийся, вероятно, оксидом) не катализируют разложение перекиси. Это может значить, что обработка нитратом самария может работать посредством окисления серебра. Однако, также есть версия (без научного обоснования), что обработка нитратом самария предотвращает прилипание пузырьков газообразных продуктов разложения к поверхности катализатора. В настоящей работе в конечном итоге разработка лёгких двигателей была сочтена более важной, чем решение головоломок катализа.

Схема двигателя

Традиционно для перекисных двигателей используют стальную сварную конструкцию. Более высокий, чем у стали, коэффициент теплового расширения серебра приводит к сжатию пакета серебряного катализатора при нагревании, вслед за которым после охлаждения появляются щели между пакетом и стенками камеры. Для того, чтобы жидкая перекись не могла обойти сетки катализатора по этим щелям, обычно используют кольцевые уплотнители между сетками.

Вместо этого в данной работе были получены неплохие результаты при использовании камер двигателя, сделанных из бронзы (медный сплав C36000) на токарном станке. Бронза легко обрабатывается, и вдобавок её коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту серебра. При температуре разложения 85% перекиси, около 1200F [примерно 650C], бронза обладает отличной прочностью. Эта относительно невысокая температура позволяет также использовать алюминиевый инжектор.

Такой выбор легко обрабатываемых материалов и концентрации перекиси, легко достижимой в лабораторных условиях представляется довольно удачным сочетанием для проведения экспериментов. Заметим, что использование 100% перекиси привело бы к расплавлению как катализатора, так и стенок камеры. Приведённый выбор представляет из себя компромисс между ценой и эффективностью. Стоит отметить, что бронзовые камеры используются на двигателях РД-107 и РД-108, применяемых на таком успешном носителе как Союз.

На рис. 3 показан лёгкий вариант двигателя, который привинчивается непосредственно к основанию жидкостного клапана небольшого маневрирующего аппарата. Слева - 4-граммовый алюминиевый инжектор с фторэластомерным уплотнителем. 25-граммовый серебряный катализатор разделён, чтобы можно было его показать с разных сторон. Справа - 2-граммовая пластина, поддерживающая катализаторную сетку. Полная масса частей, показанных на рисунке - примерно 80 грамм. Один из таких двигателей был использован для наземных испытаний управления 25-килограммовым исследовательским аппаратом. Система работала в соответствии с дизайном, включая использование 3,5 килограммов перекиси без видимой потери качества.

 

Рис.3 Однокомпонентный двигатель на перекиси водорода.

150-граммовый коммерчески доступный соленоидный вентиль прямого действия, имеющий отверстие в 1,2 мм и 25-омную катушку, управляемую источником в 12 вольт, показал удовлетворительные результаты. Поверхности вентиля, вступающие в контакт с жидкостью, состоят из нержавеющей стали, алюминия и Витона. Полная масса выгодно отличается от массы свыше 600 грамм для 3-фунтового [примерно 13Н] двигателя, использованного для поддержания ориентации ступени Центавр до 1984 года.

Тестирование двигателя

Двигатель, разработанный для проведения экспериментов, был несколько тяжелее итогового, чтобы можно было испытать, например, влияние большего количества катализатора. Сопло привинчивалось к двигателю отдельно, что позволяло подгонять катализатор по размеру, регулируя силу затяга болтов. Чуть выше сопла по потоку находились разъёмы для датчиков давления и температуры газа.

Рис. 4 показывает установку, готовую для проведения эксперимента. Непосредственные эксперименты в лабораторных условиях оказываются возможными из-за использования достаточно безвредного топлива, низких значений тяги, работы при нормальных комнатных условиях и атмосферном давлении, и применения простых приборов. Защитные стенки установки сделаны из поликарбонатных листов толщинов в полдюйма [примерно 12 мм], которые установлены на алюминиевой раме, в условиях хорошей вентиляции. Панели были испытаны на разламывающее усилие в 365.000 Н*с/м^2. Например, осколок в 100 грамм, двигаясь со сверхзвуковой скоростью в 365 м/с, остановится, если площадь удара 1 кв. см.

 

Рис 4. Стенд для испытания двигателя в лаборатории.

На фотографии камера двигателя ориентирована вертикально, чуть ниже вытяжной трубы. Датчики давления на входе в инжектор и давления внутри камеры находятся на платформе весов, которые измеряют тягу. Цифровые индикаторы времени работы и температуры находятся снаружи стенок установки. Открытие главного клапана включает небольшой массив индикаторов. Запись данных ведётся путём установки всех индикаторов в поле видимости видеокамеры. Окончательные измерения были проведены с помощью термочувствительного мелка, которым провели линию вдоль длины камеры катализа. Изменение цвета соответствовало температуре свыше 800 F [примерно 430C].

Ёмкость с концентрированной перекисью находится слева от весов на отдельной опоре, так что изменение массы топлива не влияет на измерение тяги. С помощью эталонных гирь было проверено, что трубки, подводящие перекись к камере, достаточно гибки для достижения точности измерения в пределах 0,01 фунта силы [примерно 0,04Н]. Ёмкость для перекиси была изготовлена из большой поликарбонатной трубы и калибрована так, что изменение уровня жидкости может использоваться для вычисления УИ.

Параметры двигателя

Экспериментальный двигатель многократно испытывался в течение 1997 года. Ранние прогоны использовали ограничивающий инжектор и малый размер критического сечения, при очень низких давлениях. Эффективность двигателя, как оказалось, сильно коррелировала с активностью использованного однослойного катализатора. После достижения надёжного разложения давление в баке было зафиксировано на уровне 300 psig [примерно 2,1 МПа]. Все эксперименты проводились при начальной температуре оборудования и топлива в 70F [примерно 21C].

Начальный кратковременный пуск проводился для избегания "влажного" старта, при котором появлялся видимый выхлоп. Обычно начальный пуск проводился в течение 5 с при расходе <50%, но вполне хватало бы и 2 с. Затем шёл основной прогон в течение 5-10 с, достаточных для полного прогрева двигателя. Результаты показывали температуру газа в 1150F [620C], что находится в пределах 50F [27C] от теоретического значения. 10-секундные прогоны при постоянных условиях использовались для вычисления УИ. Удельный импульс оказывался равным 100 с [980 м/с], что, вероятно, может быть улучшено при использовании более оптимальной формы сопла, и, особенно, при работе в вакууме.

Длина серебряного катализатора была успешно уменьшена с консервативных 2,5 дюймов [примерно 64 мм] до 1,7 дюймов [примерно 43 мм]. Окончательная схема двигателя имела 9 отверстий диаметром 1/64 дюйма [примерно 0,4 мм] в плоской поверхности инжектора. Критическое сечение размером 1/8 дюйма [3,2 мм] позволило получить тягу в 3,3 фунта силы [14,7Н] при давлении в камере 220 psig [1,5 МПа] и разностью давлений 255 psig [1,76 МПа] между вентилем и критическим сечением.

Дистиллированное топливо (табл. 1) давало стабильные результаты и устойчивые замеры давления. После прогона 3 кг топлива и 10 стартов, точка с температурой в 800F [430C] находилась на камере на расстоянии в 1/4 дюйма [6 мм] от поверхности инжектора. При этом, для сравнения, время работоспособности двигателя при 80 ppm примесей была неприемлемой. Колебания давления в камере на частоте 2 Гц достигли значения 10% после расходования всего 0,5 кг топлива. Точка температуры 800F отошла на расстояние свыше 1 дюйма [25,4 мм] от инжектора.

Несколько минут в 10% азотной кислоте восстановили катализатор до хорошего состояния. Несмотря на то, что при этом, вместе с загрязнениями, было растворено некоторое количество серебра, активность катализатора была лучше, чем после обработки азотной кислотой нового, ещё не использовавшегося катализатора.

Следует отметить, что, хотя время разогрева двигателя исчисляется секундами, значительно более короткие импулься возможны, если двигатель уже разогрет. Динамический отклик жидкостной подсистемы тяги массой в 5 кг на линейном участке показал время импульса короче, чем в 100 мс, с передаваемым импульсом около 1 Н*с. В частности, смещение было примерно +/- 6 мм при частоте в 3 Гц, с ограничением, задаваемым системе скоростью управления.

Варианты построения ДУ

На рис. 5 показаны некоторые из возможных двигательных схем, хотя, конечно, далеко не все. Для использования перекиси подходят все жидкостные схемы, и каждую можно также использовать для двухкомпонентного двигателя. В верхнем ряду перечислены схемы, обычно используемые на спутниках, с традиционными компонентами топлива. Средний ряд показывает, как можно использовать системы на сжатом газе для задач ориентации. Более сложные схемы, позволяющие потенциально добиться меньшего веса оборудования, показаны в нижнем ряду. Стенки баков схематически показывают различные уровни давления, типичные для каждой системы. Отметим также различие обозначений для ЖРД и ДУ, работающих на сжатом газе.

Традиционные схемы

Вариант A использовался на некоторых из самых небольших спутников из-за своей простоты, а также потому, что системы на сжатом газе (вентили с соплами) могут быть очень лёгкими и маленькими. Этот вариант использовался также на больших космических аппаратах, например, азотная система поддержания ориентации станции Скайлэб в 1970-х гг.

Вариант B является наиболее простой жидкостной схемой, и был многократно испытан в полётах с гидразином в качестве топлива. Газ, поддерживающий давление в баке, обычно занимает четверть бака во время старта. Газ постепенно расширяется во время полёта, так что говорят, что давление "выдувается". Однако падение давления снижает как тягу, так и УИ. Максимальное давление жидкости в баке имеет место во время запуска, что увеличивает массу баков по соображениям безопасности. Недавний пример - аппарат Лунар Проспектор, который имел примерно 130 кг гидразина и 25 кг массы ДУ.

Вариант C широко используется с традиционными ядовитыми однокомпонентными и двухкомпонентными топливами. Для самых маленьких спутников нужно добавлять ДУ на сжатом газе для поддержания ориентации, как описывалось выше. Например, добавление ДУ на сжатом газе к варианту C приводит к варианту D. Двигательные системы данного типа, работающие на азоте и концентрированной перекиси, были построены в Лоуренсовской Лаборатории (LLNL), чтобы можно было безопасно испытывать системы ориентации прототипов микроспутников, работающие на неядовитых топливах.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: