Основные этапы развития криогенной техники
Ожижение воздуха впервые практически одновременно осуществили в 1877 г Кайете в Париже и Пикте в Швейцарии. В 1883 г. Вроблевский и Ольшевский в лаборатории Краковского университета получили жидкий азот и кислород, а в 1884 г. - жидкий водород в виде тумана.
Проблему длительного хранения криогенных жидкостей удалось решить в 1892 г. Дьюару в Англии. Он впервые создал конструкцию сосуда для хранения криогенных сред с минимальными теплопритоками от окружающей среды, что позволило начать изучение физических свойств веществ при низких температурах.
В 1895 г. немецкий физик Линде создал первую промышленную машину для ожижения воздуха. В 1908 г. в Лейденском университете в Голландии Камерлинг - г Онес получил жидкий гелий, а в 1911 г. открыл явление сверхпроводимости. В США в 1926 г. Годдарт осуществил первый запуск ракеты с реактивным двигателем на жидком кислороде и керосине.
В 1939 г. П.Л. Капица создал воздухоожижительную установку, реализующий оригинальный так называемый «цикл Капицы».
В 1942 г. в Германии Вернер фон Браун провёл огневые испытания ракеты V-2 с жидким кислородом в качестве окислителя.
В 1960 г. началось в США и СССР крупномасштабное промышленное производство жидкого водорода для ракет «Сатурн» и Н1 использующих жидкий водород и кислород.
Более подробно этапы развития криогенной техники представлены в таблице 3.
Таблица 3
ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ СРЕД
Криогенная техника к концу 20-го столетия получила повсеместное распространение. Безусловное первенство по объёму использования криогенных жидкостей принадлежит ракетно-космической отрасли. Однако физика высоких энергий и энергетика, электроника, криобиология, криомедицина и многие другие отрасли промышленности и науки активно используют и создают современные криогенные технологии. Рассмотрим некоторые области применения криогенных технологий.
Ракетно-космическая техника
В ракетно-космической промышленности криогенные жидкости, в основном, используются в качестве компонентов топлива.
С 1926 года при пусках ракет используется в качестве окислителя жидкий кислород (LO2). Первоначально в качестве горючего использовался керосин или бензин, однако с 60 –х годов 20 века для вторых и третьих ступеней ракет начал применяться жидкий водород (LH2), а с 90-х годов и жидкий метан (LCH4). Использование кислорода с водородом позволяет при отсутствии загрязнения окружающей среды обеспечить высокие энергетические характеристики топлива при горении в камерах сгорания двигателей - высокий удельный импульс.
Жидкий азот (LN2) применяется в ракетной технике для наддува баков (напри для РН «Союз») и как моделирующая жидкость (вместо LО2 и LН2) при испытании криогенных ракетных систем. На стендах при проведении высотных испытаний космических аппаратов жидкий азот используется для создания глубокого вакуума при моделировании космических условий, а также для получения ультравысокого вакуума в камерах экспериментальных систем. Низкие температуры обеспечивают «криооткачку», т.е. вымораживание остаточных газов с помощью специальных экранов криопанелей.
В середине с 60 –х годов 20 века были созданы двигательные установки на жидком фторе (LF). Жидкий фтор использовался как окислитель, а аммиак как горючее. В дальнейшем, из-за высокой токсичности фтора его использование было прекращено.
Авиационная техника
С середины 40-х годов 20 века для систем жизнеобеспечения высотных полётов используется жидкий кислород. В середине 60 –х годов 20 века были созданы воздушно-реактивные двигатели на жидком водороде, а 90 –х годов 20 века и жидком метане. Испытания проводились на специально созданных летающих лабораториях на самолётах Ту-155 и .. Использование водорода позволяет при отсутствии загрязнения окружающей среды обеспечить высокие энергетические характеристики топлива и создать новые двигатели для гиперзвуковых самолётов – авиации 21-го века. В качестве альтернативы авиационному керосину рассматривается применение жидкого метана, что актуально, в первую очередь для полётов на территории расположения газо-конденсатных месторождений.