ЧТО НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ О РАКЕТНЫХ ТОПЛИВАХ

БОЛЬШАЯ КОЛЛЕКЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЦЕПТОВ

Словарь терминов

а | б | в | г | д | ж-и | к | л | м | н | о | п | р-с | т-у | ф-ц | ш-я

Смотри так же:

  Итак, предположим, что вы не только занимаетесь строительством ракет, но и конструированием ракетных двигателей или разработкой новых альтернативных твёрдых ракетных топлив. Конечно вы можете использовать предложенные вам ракетные топлива, которые уже давно открыты и используются, но согласитесь было бы гораздо приятнее, если бы вы знали на каких основах создаются все эти топлива и как они работают. Я не предлагаю читать вам эту статью, если вам это не интересно, но всё же она могла бы вам пригодиться. Данная статья больше предназначена для химиков, которые занимаются разработкой ракетных топлив и для тех, кто занимается конструированием ракетных двигателей. Так что смотрите сами.

  Итак мы знаем, что эффективность топлива определяется его удельной тягой - показатель по которому судят о том, какой суммарный импульс можно получить, сжигая 1кг топлива:

какой суммарный импульс можно получить, сжигая 1кг топлива

Суммарный импульс - произведение тяги на время работы двигателя.

Суммарный импульс - произведение тяги на время работы двигателя.

  Проще говоря, эффективность топлива определяется тем, что какую можно получить тягу сжигая определённое количество топлива в единицу времени.

  Мы знаем, что, чем больше давление в камере сгорания, тем сильнее и интенсивнее газы вырываются из сопла, отталкивая ракету в противоположную сторону, и, следовательно тяга двигателя увеличивается. Ещё мы знаем, что при повышении температуры также увеличивается давление газов, и, следовательно тяга двигателя тоже увеличивается. Следуя из всего этого можно сказать о том, что топливо с предельными значениями удельной тяги должно иметь по возможности максимальную температуру сгорания, при этом молекулярный вес его продуктов сгорания должен быть по возможности минимальным.

  Например  топливо, на котором работают твёрдотопливные ускорители "шаттла"  состоит из перхлората аммония (NH4ClO4), полиурета,  порошка алюминия и оксида железа (Fe2O3):

69.9%(NH4ClO4) +  12.04(полиуретана) + 1,96(отвердителя) + 16% (Al) + 0,07(Fe2O3)

- он здесь участвует как катализатор горения, практически не влияя на удельную тягу топлива. Порошок алюминия вводится с тем, чтобы повысить энергетические характеристики топлива, но не все понимают как повышаются эти характеристики.

  Итак, перхлорат аммония при температуре разлагается, но при различных температурах по-разному. При высоких температурах он разлагается, отдавая практически весь кислород, который идёт на окисление горючего ( в данном случае полиуретана). При этом образуются преимущественно такие продукты, как CO, CO2, N2, H2O, HCl, ну и  небольшие примеси других продуктов. Плотность CO (угарный газ) ниже плотности CO2 (углекислый газ), а значит при обычных условиях он занимает больший объём, чем CO2, а при повышении температуры объём газов увеличивается. Так что можно сказать, что целесообразно использовать такое сочетание компонентов топлива, при котором бы основным продуктом сгорания был СО. Но не для всех топлив такое сочетание подойдёт, и прочитав всю статью, вы поймёте почему.

  Теперь давайте обсудим алюминий - зачем он нужен?. Наверняка из курса химии вы знаете, что алюминий обладает высокой теплотой сгорания, и это одна из причин по которым его вводят в состав ракетных топлив, но она не самая главная. Ещё вы должны знать, что полном его  взаимодействии с водой при высоких температурах, конечными продуктами будут являться Al2O3 и H2 - именно водород, именно он значительно повышает энергетические характеристики топлива, и не подумайте пожалуйста, что он играет здесь роль горючего. Дело в том, что при обычных условиях он занимает огромный объём при минимальном весе, т.е. плотность у него очень маленькая. Да если еще учесть, что алюминий значительно увеличивает температуру сгорания топлива, то в итоге давление в камере создаётся огромное, поэтому данное топливо считается одним из лучших твёрдых ракетных топлив, которые можно использовать в промышленном масштабе на данный момент. Конечно это топливо далеко от идеального, но это уже другой вопрос.

Давайте теперь рассмотрим топливо, которое я разработал не так давно. Точнее я его доработал, т.к. использовать сорбит в качестве связующего, придумал не я. Наверняка вы читали про Мощную карамельку - как я её назвал, и видели, что в его состав входит сера. Там я  вкратце описал зачем она нужна, но давайте рассмотрим подробнее. Итак воспроизведём уравнение горения:

6C6H14O6 + 26KNO3 + 13S = 13K2S + 36CO2 + 13N2 + 42H2O  (теоретически).

  В этом уравнении я не учитывал взаимодействия CO2с H2O или H2O с К2S, я предпочитаю сначала рассматривать чисто теоретический механизм реакции, потому что реакция на самой ранней стадии протекает именно в таком направлении, и только  потом продукты взаимодействуют друг с другом давая уже конечные продукты сгорания. Хочу также заметить, что при различном давлении продукты будут немного разного состава.   Как я уже говорил, сера здесь вытесняет атом кислорода, благодаря чему увеличивается энергетический выход реакции, и образуется гораздо больший объём газообразных продуктов. А в отличии от KOH, который образуется при сгорании обычной карамельки, К2S практически не взаимодействует с CO2, сохраняя его объём в камере Р.Д.  Всё это способствует значительному увеличению удельной тяги топлива и делает это топливо весьма мощным, по сравнению с обычной карамелькой. Мощная карамелька весьма высококалорийное топливо, т.е. обладает высокой температурой сгорания, что делает его более эффективным, но есть минусы: оно может прожечь корпус двигателя, если он сделан из недостаточно термостойкого материала. Так же оно весьма сложное в изготовлении и не совсем подходит для малых двигателей, но идеально для больших. Из него неплохо делать топливные шашки от 100гр. Причиной, по которой его нельзя успешно применять при изготовлении малых двигателей, является его низкая пластичность. Его нельзя перегревать, из-за того что сера просто расплавится и топливо станет негомогенным, и это его основная проблема.

  Давайте теперь рассмотрим обычную карамельку, уравнение горения которой предложил Ричард Накка.

C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH (практически)

  Мне не нравится одна вещь в его реакции. По его уравнению образуется KOH, но это соединение не может образоваться, потому что он сразу провзаимодействует с CO2 и превратится в K2CO3, тем более при такой высокой температуре. Хочу также заметить, что ещё не известно в коком направлении пойдёт реакция CO2 + H2O + CO + C, дело в том, что при различных температурах и давлении она может протекать в различных направлениях: с образованием таких продуктов, как CH3OH, CH2O, CH3COOH, H2 и др. Для того, чтобы данная реакция протекала в сторону образованием элементарного H2, нужна очень высокая температура, которою не может дать это топливо.  Так что не совсем бы правильно было утверждать, что образуется только H2, а тепловые характеристики обычной карамельки ниже, чем мощной. Есть ещё некоторые причины, которые делают это топливо низкоэффективным:

Во-первых: В продуктах образуется KOH, который поглощает большое количество СO2, в результате чего количество выделяющихся газообразных продуктов уменьшается.

Во вторых: На окисление сорбита KNO3 отдаёт только два атома кислорода, из-за чего значительно уменьшается эффективность топлива.

В третьих: из-за сравнительно низкой температуры сгорания топлива, реакция протекает в  направлении уменьшения объёма газообразных продуктов.

  Ну у этого топлива есть большие плюсы: оно лёгкое в изготовлении, а из-за высокого содержания сорбита оно сохраняет высокую пластичность достаточно длительное время, при достаточно сильном нагревании его легко можно залить в корпус без особого труда. Для тех, кто занимается только конструированием ракет, а не двигателей, и это топливо идеально подойдёт, чтобы проверить лётные характеристики своей ракеты.

  Вообще хочу сказать, что хоть карамелька и считается лучшим среди ракетомодельного дела, топливом, но всё же она не достаточно эффективна, если конечно заниматься серьезной разработкой двигателей. Я тоже раньше много работал с обычной карамелькой, но в конечном счёте дошёл до мощной. Обычная карамелька отлично подойдёт начинающим ракетомоделистам, но профессионалам в этой области я всё же рекомендовал бы попробовать мощную.

  После всех этих рассуждений вы наверняка зададите вопрос: "А почему бы не ввести тот же алюминий в состав обычной карамельки, или почему бы не повысить содержание сорбита, чтобы основным продуктом сгорания был СО?" В химии есть такое понятие, как энергия активации - минимальная энергия, которую необходимо затратить на осуществление реакции. Причём, если энергетический выход реакции больше её энергии активации, то такая реакция протекает по цепному механизму. И чем больше энергетический выход реакции и чем меньше её энергия активации, тем быстрее и полнее протекает данная реакция. В данном случае, как я говорил, обычная карамелька является весьма низкокалорийным  топливом и энергетический выход реакции не позволяет, чтобы полностью активировать комплекс {Al + H2O + CO + CO2}, и поэтому введение порошка алюминия только снизит эффективность топлива. Ну хорошо, раз в обычную нельзя, почему же не попробовать в мощную - отвечу: из-за серы, которая будет образовывать с алюминием побочный продукт Al2S3, который тоже снизит эффективность топлива. Но сейчас я всё же экспериментирую с этим топливо с добавкой алюминия, ведь всё же не совсем знаешь что получиться на практике, результаты испытаний потом опубликую.

  Ещё хочу сделать заметку про катализаторы горения. В случае мощной карамельки, использование их неуместно. В случае обычной карамельки, можно применить соли меди, не образующие кристаллогидратов, но и то, в случае конструирования особо больших двигателей. Для хлоратов и перхлоратов применяют различные соединения переходных металлов, например Fe2O3, который значительно увеличивает скорость горения топлива, при его содержании в исходной смеси всего 0,5%. Но для приготовления топлива для двигателей на модели ракет он не используется, т.к. перхлоратное топливо само по себе обладает солидной скоростью горения и очень высокими энергетическими характеристиками.

  Вобщем хочу сказать одно: ракетные топлива - дело весьма тонкое, чем кажется на первый взгляд, а модификаций и их разновидностей очень много. И выбор ракетных топлив ограничивается не только их составом и свойствами, но ещё и рядом других  характеристик.

Основные специфические требования, предъявляемые к твёрдым Р. т.:

  Равномерность распределения компонентов и, следовательно, постоянство физико-химических и энергетических свойств в блоке, устойчивость и закономерность горения в камере РД, а также комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих работоспособность двигателя в условиях перегрузок, переменной температуры, вибраций, и это очень важно учитывать при конструировании любительских ракетных двигателей.

  Также топливо должно отвечать основным экологическим нормам, но это в промышленности  и по возможности, иметь низкотоксичные продукты, безопасные для окружающей среды и живых существ, чего нельзя сказать о перхлоратном топливе.

  Лично я думаю, что в будущем несомненно появятся новые виды топлив, которые будут значительно превосходить по своим характеристикам, те, которые имеются на данный момент.

  Но для нас это не особо важно, т.к. мы работаем с очень малыми количествами по сравнению с промышленностью. В будущем всё возможно. Уже разрабатываются двигатели с использованием альтернативных источников энергии, например плазменный двигатель уже практически разработан и сейчас ведутся его испытания, также испытываются элементарные компоненты ионного двигателя. Удельная тяга таких двигателей в тысячи и десятки тысяч раз превосходит удельную тягу двигателей, использующих химическую энергию. Но даже эти двигатели, которые сейчас нам кажутся фантастическими, в далёком будущем тоже утратят своё значение, и уступят место другим, которые сейчас существуют лишь теоретически.

От автора:  Я изложил в этой статье самое главное и простое, что необходимо знать о ракетных топливах, главным образом о твёрдых, и думаю, что эта информация будет вам полезна, для вашего дела. Вообще о ракетных топливах написаны целые книги, но большинство этих книг предназначены лишь для профессионалов, которые  разрабатывают преимущественно ЖРД (жидкостные ракетные двигатели), и без хороших знаний математики и законов внешней и внутренней баллистики изучить их будет весьма проблемно. Хочу сказать, что я писал эту статью лично от себя, основываясь на собственных теоретических знаниях, и думаю, что здесь вам всё понятно.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Автор: Олег
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 22.02.2005гг


вверх