| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 4 Гостей: 4 Користувачів: 0
|
|
Реактивний рух
Чому ми можемо пересуватися по поверхні Землі? Питання здається простим, а відповісти на нього правильно, мабуть, зможе не кожен. Не всі пішоходи знають, що, роблячи крок, вони ногою відштовхують земну кулю, намагаючись відкинути його від себе. Звичайно, земну кулю від поштовху ногою людини не змінює свого положення - для цього в нього занадто велика маса. Але сам він згідно з третім законом Ньютона діє на крокуючого людини з такою ж силою, з якою людина діє на нього. Адже дія дорівнює протидії.
Маса людини порівняно з масою земної кулі нескінченно мала, тому сила протидії з боку земної кулі виявляється достатньою, щоб відкинути людини на деяку відстань. Таким чином, кожен крок людини по Землі є результат дії сили відштовхування з боку земної кулі. Для того, щоб пересуватися, тіло повинно мати яку-небудь опору в навколишньому середовищі, від якої воно могло б відштовхуватися. Сказане справедливо і для всякого роду механізмів. Чому рухається автомобіль?Тому що він провідними колесами відкидає від себе земну кулю і в результаті сам піддається дії сили з боку Землі. Те ж можна сказати і про рух по воді. Морські судна рухаються тому, що їх гребні гвинти відкидають з деякою швидкістю масу води в сторону, протилежну руху судна. Чим більше буде швидкість відкидається води і чим більше її маса, тим більшою буде сила, що діє на судно.
З тієї ж самої причини пересуваються по повітрю гвинтові літаки. Обертається гвинт літака - пропелер відкидає від себе масу повітря назад, завдяки чому виникає сила, що штовхає літак в протилежну сторону, тобто вперед. Отже, рух по землі, воді і повітрю відбувається з-за того, що ці середовища служать опорою. У космосі немає повітря і немає нічого іншого, що могло б служити матеріальною опорою для рухомого апарату. Всі двигуни, які в даний час використовуються в транспортних машинах, не придатні для роботи в безповітряному космічному просторі.
Двигуни, що застосовуються в наземних машинах, є двигунами непрямої реакції. Що означає така назва? Уявіть собі, що ви стоїте на санчатах і у руках у вас важкий предмет. Ви размахиваетесь і з силою кидаєте предмет в напрямі, співпадаючому з напрямом полозів санок. Що станеться з санчатами? Вони стануть рухатися і тим швидше, чим з більшою силою ви відкинете предмет. Чим викликане рух санок? Реакцією кинутого предмета. Рух санок викликається безпосередньою реакцією дії. Можна вважати дію двигуна автомобіля прямою реакцією? Ні, не можна.Чому рухається по дорозі автомобіль? Звичайно, не тому, що з вихлопної труби двигуна викидаються відпрацьовані гази - продукти згоряння палива. Якщо відключити коробку швидкостей, що з'єднує провідні колеса з валом двигуна, скільки завгодно можна спалювати бензину у двигуні і викидати продукти горіння через вихлопну трубу - автомобіль буде стояти на місці. Для того щоб працюючий двигун міг викликати рух автомобіля по дорозі, необхідно вал двигуна з'єднати з провідними колесами.Колеса завдяки зусиллю, яке передане від двигуна, будуть намагатися відштовхнути від себе земну кулю, а він в свою чергу буде відштовхувати автомобіль. Сила, діюча на провідні колеса, і змушує автомобіль рухатися. Реакція ж стікали з газів двигуна практично не робить ніякого впливу на рух автомобіля. Таким чином, двигун автомобіля служить прикладом двигуна непрямої реакції.
Для двигуна непрямої реакції обов'язково потрібна середовище, яка могла б служити опорою для рушія. (Рушієм в автомобілі служать провідні колеса, в човні - гребний гвинт, поршневих літаках - пропелери.) Є й інші двигуни, так звані двигуни прямої реакції. Майже всі сучасні винищувачі оснащені повітряно-реактивними двигунами, тобто двигунами з прямою реакцією. Хто бачив ці літаки поблизу, той, напевно, звернув увагу на їх незвичайний вигляд - у них немає традиційного пропелера.Як же вони пересуваються по повітрю, чим же вони відкидають від себе повітряну масу?
Рух беспропеллерных літаків, на яких встановлені повітряно-реактивні двигуни (ВРД), забезпечується реакцією стікали з двигуна газів, що утворюються в процесі згоряння палива. Згадайте приклад санок, рухаються тому, що людина, що стоїть на них, відкидає від себе вантаж. Таким «вантажем» на літаках з реактивними двигунами прямої реакції служать гази - продукти згоряння палива. Так як гази безперервно закінчуються через сопло двигуна, то і літак безперервно відчуває дію штовхає сили, що змушує його рухатися.За законом збереження імпульсу імпульс минає з сопла газу повинен бути дорівнює імпульсу літака, взятому з оберненим знаком (за умови, що літак не діють зовнішні сили).
Отже, ВРД забезпечує рух літака за рахунок реакції витікає маси газів. ВРД - це двигун прямої реакції. Можна створити літальний апарат з повітряно-реактивним двигуном, який, здійснюючи політ, не буде мати потребу в якій-небудь опори. А чи зможе такий апарат з ВРД працювати в безповітряному просторі? Виявляється, немає. У ВРД (як і в переважній більшості інших двигунів) пальне згоряє в атмосфері повітря. Кисень повітря окислює горюча речовина, в результаті чого виділяється теплова енергія, яка потім перетворюється в механічну енергію руху.Повітря для ВРД потрібний як джерело кисню, без якого неможливо горіння палива, тому літак або будь-який інший літальний апарат з ВРД може літати тільки в середовищі, де є повітря.
А чи існують такі двигуни, які не потребують повітрі як джерелі окислювача палива? Такі двигуни існують. Якщо б їх не було, ми б з вами не були свідками тих дивовижних польотів у космічний простір, які відбуваються в наш час. Двигуни, які дозволили вийти людини в космос, теж прямої реакції, але на відміну від ВРД згоряння палива в них відбувається не в атмосфері повітря, а в окислителе, який так само, як пальне (бензин, гас); є на борту літального апарату.Двигуни, в яких застосовується рідкий окислювач та рідке пальне, називаються рідинно-реактивними двигунами (РРД).
Рідинно-реактивні двигуни застосовуються в основному в космічних ракетах. Рідинна ракета відрізняється від будь-якої іншої машини тим, що в її паливних баках знаходиться не тільки речовина, яке здатне горіти в двигуні (воно називається пальним компонентом), але і речовина, яка не горить, але підтримує горіння (воно називається окислювальним компонентом палива). Для спалювання 1 кг пального компонента потрібно різну кількість окислювача. Наприклад, для того палива, яке в даний час застосовується в ракетах, на 1 кг пального споживається від 2,5 до 4 кг окислювача.
Що ж є показником цінності палива космічних ракет? Ми вже бачили, що РРД - це двигун прямої реакції. Рух літальному апарату (тобто ракеті) він повідомляє завдяки тому, що з його сопла викидається маса газу - продуктів згоряння палива. Сила, що змушує рухатися ракету, тим більше, чим великим імпульсом мають минає з сопла двигуна гази. Але імпульс - це добуток маси газів на їх швидкість. Для того щоб цей твір було великим, потрібно мати велику швидкість газів, або велику їхню масу. Вигідно йти по шляху збільшення маси газів?Ні, не вигідно. Адже всю цю масу необхідно брати на борт космічної ракети, а це сильно збільшить її вага, зробить ракету важкої і громіздкою. Тому такий шлях неприйнятний.
Можна збільшити швидкість витікання газів. Може бути, цей шлях більш прийнятний? Так, збільшувати швидкість витікання газів із сопла двигуна корисно. Але як це зробити? Ви знаєте, що в твердих тілах молекули, з яких вони складаються, знаходяться майже в нерухомому стані - вони можуть тільки коливатися біля свого середнього положення. Що відбувається з молекулами твердого тіла, якщо його нагрівати? По мірі нагрівання зростає швидкість руху молекул, поки температура тіла не досягне точки плавлення і тверде тіло не перетвориться в рідину.У рідинах молекули рухаються швидше, ніж у твердих тілах. Нагріваючи рідину, її можна перетворити в пару, тобто перевести в газоподібний стан, В газах рухомі молекули, що мають швидкість багато більшу, ніж в рідинах, а тим більше в твердих тілах. Чим більше нагрівати газ, тим швидше рухаються його молекули.
Таким чином, одним з основних способів отримання газоподібних продуктів, що володіють великою кінетичною енергією, служить їх нагрівання. За рахунок чого може нагріватися гази - продукти згорання палива в двигуні? Очевидно, за рахунок енергії, що виділяється в процесі горіння палива. Отже, першою і головною умовою отримання великої швидкості витікання газоподібних продуктів згоряння з сопла двигуна є висока теплопродуктивність палива (теплопродуктивність - це кількість тепла, що виділяється при згорянні одиниці маси палива).
Але не тільки теплопродуктивність визначає швидкість витікання продуктів згоряння з сопла двигуна. За рахунок виділяється енергії молекули газу розганяються до відповідної швидкості. А хіба байдуже, що розганяється? Якщо затратити одне і теж кількість енергії на розгін малого і великого кулі, то при інших рівних умовах малий куля набуває швидкість більшу, ніж великий. Що являє собою будь-який газ, у тому числі і газ, що утворюється при згоранні палива в рідинному ракетному двигуні? Ви знаєте, що газ - це скупчення незліченної безлічі молекул, тобтодрібних кульок. Розмір і маса молекул різних газів не однакові. Самі маленькі кульки - це молекули наилегчайшего газу водню. Молекула води в 9 разів більше за масою, ніж молекула водню, а молекула вуглекислого газу важче молекули водню в 22 рази. Який же газ з трьох названих легше розігнати до заданої швидкості? Якщо до зазначених газів підвести одне і те ж кількість тепла, то швидкість молекул водню буде більше, ніж молекул пари води, а тим більше молекул вуглекислого газу.Так ми приходимо до ще одного дуже важливого показника оцінки якості пального ракетних двигунів. Цей показник - величина молекулярної маси газів, що виходять при їх згоранні. Чим менша ця величина, тим вище якість палива.
Пальне в ракеті зберігається в паливних баках. Зрозуміло, що баки великого обсягу будуть мати і велику масу. А слід мати на увазі, що паливні баки - це найбільша за розмірами частину ракети. Тому розмір паливних баків в основному і визначає розмір ракети в цілому. Ось чому бажано, щоб паливо володіло як можна більшою щільністю. При одній і тій же масі компоненти з більшою щільністю займають менший об'єм, ніж компоненти з малою щільністю.
Отже, основні вимоги до рідких ракетних палив полягають у наступному: висока теплопровідність і мала щільність і молекулярна маса продуктів згоряння.
Рідке ракетне паливо складається з двох частин, що зберігаються в окремих, ізольованих один від одного баках ракети. Змішуються компоненти палива тільки при попаданні в двигун. Ознайомимося з тими речовинами, які застосовуються в даний час в космічних ракетах як компоненти ракетних палив, і тими, які можуть застосовуватися в майбутньому.
Окислювачами ракетних палив можуть служити різні речовини, до складу яких входить активний кисень, тобто кисень, здатний окислювати горючі елементи. Кисень, що входить, наприклад, у молекулу води,- це не активний кисень. При з'єднанні з двома атомами водню його окислювальні властивості були використані повністю. А ось в таких сполуках, як азотна кислота або перекис водню, кисень знаходиться в стані, при якому він ще не повністю витратив свою окислювальну здатність.Якщо змішати азотну кислоту з горючою речовиною і нагріти суміш до відповідної температури, вона загориться і буде горіти без доступу повітря. Повітря для горіння такої суміші не потрібно, так як кисень, необхідний для підтримки горіння, що міститься в достатній кількості в азотній кислоті.
А яку роль грають інші атоми, що входять в молекулу азотної кислоти? Адже, крім трьох атомів кисню, в її молекулі міститься по одному атому азоту і водню. Ці атоми не допомагають горіння, від присутності їх в горючій суміші її теплопродуктивність не збільшується. Більше того, вона навіть зменшується. Адже якщо у піч разом з шматками кам'яного вугілля, при горінні якого виділяється тепло, підкладати каміння, тепла більше не отримаєш. Камені - це баласт, який не горить, але, нагріваючись, споживає тепло і таким чином сприяє зменшенню температури нагріву печі.Такий же баласт становлять і атоми азоту і водню, що входять до складу молекули азотної кислоти. Чому ж ці атоми є баластом?
Азот, як відомо, інертний газ - це і не окислювач і не пальне, тому атоми азоту, в яких би з'єднаннях вони ні знаходилися, природно віднести до баластної домішки. Водень ж відомий як горючий елемент, що володіє високою теплопродуктивністю. Це вірно, але до тих пір, поки водень не піддався окислення. У молекулі ж азотної кислоти атом водню пов'язаний безпосередньо з киснем (так само, як і в молекулі води), тому він повністю окислен і в горінні не бере участь. Таким чином, молекула окислювача може складатися з двох видів атомів - баластних, тобтоне беруть участі в процесі горіння, і активних - підтримують процес горіння. Про цінності окислювача ракетного палива певною мірою можна судити за вмістом активного кисню в його молекулах. Чим більший відсоток активного кисню міститься в окислителе, тим вище його якість, тим він ефективніший.
Ясно, що якщо застосовувати окислювач, в який входять лише атоми кисню, то це буде найкращий окислювач. А чи може бути таке речовина? Звичайно, може. Адже ми дихаємо повітрям, в склад якого входить кисень. Молекула кисню складається з двох атомів кисню, тобто це окислювач зі 100-відсотковим вмістом окисного елемента. Тому кисень є дуже цінним окислювачем ракетного палива. Палива з таким окислювачем володіють високою теплопродуктивністю.В даний час кисень застосовують у багатьох ракетах і, зокрема, тих, які піднімають штучні супутники Землі та космічні кораблі в космічний простір. Звичайно, для живлення ракетних двигунів застосовується не газоподібний кисень. Його перетворюють в рідину і в рідкому стані заправляють в паливні баки ракети.
Рідкий кисень, рідкий газ, рідке повітря - все це звучить трохи незвично. Ви, звичайно, знаєте, що всі речовини можуть бути переведені в будь-агрегатний стан. Для того щоб перевести яку-небудь тверду речовину в рідину або газ, його необхідно нагрівати. Щоб здійснити зворотний перехід від газоподібного стану до рідкому чи твердому, речовина необхідно охолоджувати (під певним тиском). Для зрідження різних газів потрібно не однакова ступінь охолодження.Так, наприклад, для того щоб перетворити в рідину такий газ, як аміак, достатньо охолодити його до температури - 33° С, а для скраплення газоподібного кисню охолодження потрібно вести до температури - 183°С.
Є рідкий кисень найкращим з можливих окислювачів ракетного палива? Ні, можуть бути окислювачі з ще більш високими показниками, ніж чистий кисень.
Про одному з таких речовин, ви, можливо, чули. Після дощу влітку, в полі чи лісі, це речовина в дуже малій кількості з'являється в повітрі. Його можна виявити по запаху. Воно називається озоном. Найчастіше запах озону в повітрі відчувається після дощу, якому передують сильні грозові розряди. При грозових розрядах молекули кисню, що знаходяться в повітрі, перетворюються в молекули озону. За складом молекули озону і кисню дуже схожі один на одного. В молекулу кисню входять два атоми кисню в молекулу озону - три. Інших атомів в молекулі озону немає, т. е.це речовина, так само як і кисень, складається на 100% з атомів кисню.
Схожість кисню і озону на цьому і закінчується. У всьому іншому вони абсолютно не схожі один на одного. Щільність кисню в рідкому стані при температурі кипіння (-183°С) дорівнює 1,14 х 103 кг/м3, а густина озону теж при температурі кипіння (-112°С) дорівнює 1,8 х 103 кг/м3, тобто озон важче кисню. Відрізняються вони і за зовнішнім виглядом. Рідкий кисень - блакитного кольору, рідкий озон - темно-фіолетовий. Рідкий озон, як окислювач ракетного палива, за енергетичними показниками значно перевершує рідкий кисень, проте в ракетній техніці він поки що не застосовується. Чому?
Озон, хоча і складається з атомів кисню, яким ми дихаємо, без якого неможливе життя, володіє виключно високими отруйними властивостями. Вдихання парів озону навіть у дуже малій кількості небезпечно для здоров'я і життя людини. Один цей недолік, правда, не міг би служити причиною, щоб озон не застосовувався як окисник ракетного палива. В ракетній техніці застосовуються речовини, які не поступаються за отруйливої дії озону. Завжди можна знайти кошти, що виключають небезпеку поводження з подібною речовиною.
Другий більш серйозний недолік озону - його виняткова вибуховість. Навіть невелика струс, особливо удар, може призвести до вибуху озону. Вибухові властивості рідкого озону - головна причина того, що ця речовина не застосовується як компонент палива.
Ми звикли вважати горінням процес з'єднання якого-небудь речовини з киснем з виділенням при цьому тепла та утворенням видимого полум'я. Але горіти речовини можуть не тільки в кисні,але і в хлорі, броме, фтор. Горіння в атмосфері цих речовин також супроводжується виділенням тепла та утворенням видимого полум'я. Хром, бром, фтор, як і кисень,що є окислювачами. З некислородных окислювачів найбільш цікавий фтор. В атмосфері фтору може горіти все. Навіть такий класичний окислювач, як кисень, горить у фторі, тобто відіграє роль вже не окислювача, а горючої речовини.
Всім добре відомо, що вода не горюча речовина. Вона не тільки не горить, але оберігає від горіння інші речовини. А от якщо б сталася пожежа, при якому горіння відбувалося в атмосфері газоподібного фтору, а не повітря, то такий пожежу гасити водою було б нерозумно. Підливати воду в фторный пожежа все одно, що підливати масло у звичайний пожежа. Підливати Масло у вогонь не можна тому, що воно горить і, отже, полум'я при попаданні в нього масла стане тільки більше. Вода у фторі горить як олія в кисневій атмосфері.З цього можна зробити висновок, що фтор як окислювач набагато активніше кисню.
Що являє собою фтор? При нормальних умовах, тобто при кімнатній температурі і атмосферному тиску, фтор - газ жовто-зеленого кольору, що володіє дуже сильними отруйними властивостями. Його небезпечно але тільки вдихати, але і знаходитися в атмосфері фтору, так як він вражає шкіру, викликаючи утворення довго не гояться виразок.
В якості окислювача ракетного палива доцільно застосовувати рідкий фтор, який отримують охолоджуючи до температури -150°С під певним тиском газоподібний фтор. Рідкий фтор у 1,5 рази важчий води. Рідкий фтор, так само як і рідкий кисень, перебуваючи при звичайній температурі, безперервно кипить, виділяючи в навколишній простір надзвичайно отруйний і пожежонебезпечний газ. Як же в такому разі зберігати рідкий фтор? Щоб виключити попадання отруйних парів рідкого фтору в навколишній простір, його потрібно зберігати при температурі нижчій, ніж температура кипіння фтору.
Більш низьку температуру кипіння (-196°С) має рідкий азот - газ, що входить до складу повітря. Рідким азотом і охолоджують ємність, в яку налитий фтор. Сховище рідкого фтору являє собою циліндр в циліндрі. У внутрішньому циліндрі міститься рідкий фтор, а в зовнішньому - рідкий азот. Рідкий азот поступово випаровується, виділяючи в навколишнє повітря газоподібний азот, безпечний для здоров'я. У пожежному відношенні азот також не небезпечний - він сам не горить і не підтримує горіння інших горючих речовин.Температура рідкого фтору завдяки охолодженню його рідким азотом весь час залишається значно нижче температури його кипіння. У ємність, в яку налитий рідкий азот, у міру википання останнього додають нові порції рідини. У таких ємностях рідкий фтор не тільки зберігають, але і перевозять на великі відстані.
Які ж переваги має рідкий фтор як окислювач у порівнянні з рідким киснем? Фтор перевершує кисень за двома показниками. По-перше, він має велику щільність: щільність рідкого фтору майже в 1,5 рази більше щільності рідкого кисню, а це, як ми вже бачили, має велике значення. В паливний бак ракети рідкого фтору можна помістити майже в 1,5 рази більше, ніж кисню. По-друге, теплопродуктивність палив з фторным окислювачем вище, ніж з кисневим.Ось чому, незважаючи на сильну отруйність фтору та його виняткову пожежонебезпека, з ним ведуться роботи, і, мабуть, в найближчому майбутньому ракети будуть оснащуватися двигунами, які працюють на фторном окислителе.
Для фторного палива має значення правильний вибір пального. Головні горючі елементи, в тих чи інших поєднаннях входять у більшість горючих речовин (кам'яне вугілля, нафта, торф, дрова і ін),- це вуглець і водень. В деякі горючі речовини вони входять майже в чистому вигляді. Наприклад, кам'яне вугілля майже на 100% складається з вуглецю, а горючий газ аміак (NH₃) має у своєму складі тільки один горючий елемент - водень. Подивимося, які продукти згоряння утворюються при горінні у фторі пального, що складається на 100% з вуглецевих атомів.Відомо, що фтор - елемент одновалентный, а вуглець - чотирьохвалентний. Отже, при з'єднанні фтору з вуглецем утворюється молекула, в якій на один атом вуглецю припадає 4 атома фтору (CF₄). Молекулярна маса такої речовини дорівнює 88. Якщо ж у фторі буде згоряти пальне, на 100% складається з атомів водню, то буде утворюватися молекула, в якій на один атом водню доводиться один атом фтору (HF). Це з'єднання називається фтористим воднем. Молекулярна маса фтористого водню дорівнює 20 (в 4,5 рази менше, ніж у CF₄).Ось чому з фторным окислювачем вигідно застосовувати пальне речовина, до складу якого входять головним чином атоми водню, і як можна менше атомів вуглецю, а ще краще, щоб атомів вуглецю в пальному зовсім не містилося.
З усього вищесказаного випливає, що найбільш цінними окислювачами ракетних палив можна вважати два - рідкий кисень рідкий фтор. Рідкий кисень в даний час є основним окислювачем палив, застосовуються в космічних ракетах. Рідкий фтор поки не застосовується, але роботи по вивченню її властивостей як компонента палив ведуться інтенсивно.
Тепер докладніше познайомимося з другим компонентом палива - пальним.
Які ж речовини при горінні виділяють велику кількість тепла? Дуже великий теплопродуктивністю мають деякі метали. Метали - пальне? Звучить незвично. Звичайно, важко уявити собі, як може працювати на металевому пальному автомобільний двигун, але ракетний може. Як можна спалювати метали? Якщо спробувати підпалити залізо на повітрі, то з цього нічого не вийде. Проте ви знаєте, що залізо на повітрі іржавіє. Що таке іржавіння? Це процес з'єднання кисню повітря з залізом, тобто процес окислення. Він багато в чому схожий з гниттям дерева.Дерево на повітрі також поступово окислюється і перетворюється на потерть. Варто ж дерево нагріти до температури 300 - 400°С, процес гниття, тобто повільного окислення, переходить в процес горіння, тобто швидкого окислення. Точно так само залізо, якщо його нагріти до високої температури, та ще в атмосфері чистого кисню, почне горіти з утворенням яскравого сліпучого полум'я.
В результаті горіння заліза в чистому кисні утворюються ті ж оксиди заліза, тобто іржа, що і при повільному окисленні. Але залізо, як горючий компонент ракетного палива, не представляє інтересу, воно має порівняно малу теплопровідність. Однак є метали, горіння яких супроводжується виділенням великої кількості тепла. До таких металів відноситься всім добре відомий алюміній, а також магній і деякі інші. Особливо виділяється багато тепла при горінні металу берилію. Правда,цей метал дуже рідкісний, тому він дуже дорогий.До того ж берилій та його оксиди (які утворюватимуться при згорянні берилію в ракетному двигуні) мають надзвичайно сильними отруйними властивостями. Небезпека отруєння при роботі з берилієм, а також його дорожнеча - ось причини, за якими берилій навряд чи найближчим часом буде застосовуватися як компонент палива космічних ракет.
А ось з алюмінієм і магнієм справа йде простіше. Давно вже минув той час, коли алюміній цінувався на вагу золота. Зараз це один з найбільш поширених і дешевих металів. Адже навіть столові ложки, каструлі роблять з алюмінію. Магнію також у природі багато і він недорогий. Тому цілком можливо, що ці два метали стануть застосовувати в якості складової частини ракетних палив. Мабуть, ні алюміній, ні магній в чистому вигляді спалювати в ракетному двигуні недоцільно.Справа в тому, що при згорянні алюмінію в атмосфері кисню утворюються оксиди алюмінію (Al₂O₃), молекула яких складається з п'яти атомів, а молекулярна маса Al₂O₃ дорівнює 102. Молекула оксиду алюмінію дуже важка. Маса її у 5,5 рази більше маси молекули води і в 2,5 рази молекули вуглекислого газу.
Ще більшим недоліком є висока температура кипіння окису алюмінію - вона перетворюється в киплячу рідину при температурі 2000°С. Отже, при зниженні температури продуктів згоряння палива в рідинному ракетному двигуні до 2000°С окис алюмінію стає рідкою, а при подальшому зниженні температури і твердою. А коли речовина твердне, то утворюються частинки з дуже великого числа молекул. Маса таких частинок порівняно з масою окремих молекул буде величезною. А ми вже знаємо, що це погано.Частку оксиду металу, що складається з багатьох тисяч і мільйонів молекул, розігнати до великої швидкості в ракетному двигуні не тільки важко, але й неможливо. Тому сила реакції від таких частинок, що вилітають з двигуна, буде невеликий.
Як же раціонально використовувати велику теплопродуктивність металевих палив у ракетних двигунах?
Мабуть, застосовувати метали як складову частину палива у двигунах космічних ракет можна буде у поєднанні з іншими горючими речовинами у вигляді добавки до них, підвищує теплопродуктивність палива.
Згоряння такого пального, як гас, супроводжується утворенням великої кількості газоподібних речовин (в основному водяної пари і вуглекислого газу), що мають порівняно невелику молекулярну масу, але теплопродуктивність гасу порівняно з металами невелика. Внаслідок цього температура газів - продуктів згоряння гасу - в камері ракетного двигуна також виявляється невеликий. Якщо ж одночасно з гасом у двигуні буде згоряти якесь металеве пальне (наприклад, алюміній), то це призведе до підвищення температури газів - продуктів згоряння, тобтопідвищення швидкості руху їх молекул. А раз швидкість руху молекул збільшиться, то й збільшиться імпульс, що, як вже було сказано, призведе до підвищення реактивної сили, що передається двигуном ракеті.
Як можна змішати гас з металом? При цьому треба ще пам'ятати і про те, що таку суміш необхідно прокачувати по трубопроводах для того, щоб подати її з паливного бака в камеру згорання двигуна. Виявляється, алюміній, як і інші метали, можна піддавати подрібненню до частинок будь-якого розміру, аж до найтоншої металевого пилу. У такому сильно подрібненому вигляді метал можна змішати з рідким пальним. Для того щоб тверді частинки не осідали на дно паливного бака, суміш, мабуть, час від часу необхідно буде перемішувати.
Які ще речовини можуть служити горючими компонентами ракетних палив космічних ракет? Як відомо, всі органічні речовини горять і виділяють при цьому тепло. Головною складовою частиною органічних речовин є два елементи - водень і вуглець. Так, наприклад, всі вуглеводні (гас, бензин, дизельне паливо) - це органічні речовини, що складаються лише з двох елементів - водню і вуглецю. Добре відомо, що теплопродуктивність нафтопродуктів тим вище, чим більше в їх молекулу входить атомів водню.Отже, з двох головних горючих елементів органічних речовин - водню і вуглецю - більшою теплопродуктивністю має водень (приблизно в 1,5 рази). Очевидно, найбільш ефективним пальним було б таку речовину, молекули якого містилися б тільки атоми водню.
Дійсно, чистий водень володіє дуже високими показниками, як горючий компонент ракетного палива. Його теплопродуктивність перевершує теплопродуктивність гасу в 1,35 рази, а молекулярна маса продуктів згоряння менше, ніж. молекулярна маса продуктів згоряння гасу, в 1,66 рази. Але чи можна застосовувати чистий водень як компонент палива в космічних ракетах? Можна, хоча це пов'язане з деякими труднощами. Водень у звичайних умовах являє собою газ, який легше за повітря в 15 разів.Зрозуміло, що застосовувати водень в космічних ракетах в газоподібному стані практично неможливо. Занадто великий обсяг займали б паливні баки, призначені для зберігання газоподібного водню, навіть під дуже великим тиском. Отже, так само як і кисень, його необхідно зріджувати, тобто охолоджувати до температури, при якій він стає рідким.
Ми вже говорили, що перевести в рідкий стан кисень не просто. Для цього потрібно охолоджувати його до дуже низької температури. Перетворити ж в рідину водень ще важче. Водень при тиску 1 атм (тобто при тиску навколишнього повітря) може знаходитися в рідкому стані при температурі - 254°С. Згадаємо, що абсолютний нуль (найнижча температура, яка теоретично можлива) дорівнює - 273°С. Отже, для того щоб водень перевести в рідкий стан, його необхідно охолоджувати до температури, що не так вже сильно відрізняється від абсолютного нуля температур.Можна практично це зробити? Виявляється, можна. В даний час в рідкому стані отримують не тільки водень з температурою кипіння - 254°С, а і гелій, температура кипіння якого -269°С, тобто всього лише на 4°С вище абсолютного нуля.
Отримати рідина, киплячу при температурі, близькій до температури абсолютного нуля, не просто, і виробництво таких рідин обходиться не дешево. Важко їх дістати, та й зберегти більш або менш тривалий час теж нелегко.
Проте як би не були досконалі сховища рідкого водню, все ж пари його будуть надходити в навколишній простір. До чого це може призвести? Водень - пальне, причому дуже легко запалюється. А повітря являє собою суміш азоту з киснем, тобто окислювачем. Пари водню з повітрям утворюють суміш, здатну вибухати навіть при малому вмісті в суміші парів водню. Ось чому працювати з рідким воднем дуже небезпечно.
Рідкий водень має ще один недолік - у нього дуже мала щільність. 1 л рідкого водню в 14 разів легше 1 л води. Однак, незважаючи на це дуже суттєвий недолік рідкого водню, він порівняно з іншими горючими речовинами володіє тим перевагою, що має велику теплопровідність і тому є одним з найбільш перспективних горючих компонентів ракетних палив.
Ми розглянули найбільш важливі палива, придатні для застосування в космічних ракетах. Ці палива належать до так званих хімічних джерел енергії. Чому до хімічних? Тому що енергію ці палива виділяють в результаті протікання хімічної реакції - окислення горючої речовини окислювачем. Отримати джерело енергії з кращими показниками, ніж фтороводородное паливо, можна, якщо скористатися послугами не хімії, а фізики.
Відомо, що при деяких фізичних процесах енергії виділяється в десятки і сотні разів більше, ніж при хімічних.
Такі гази, як водень, кисень та інші, при нормальних умовах існують в виду молекул. Молекули газів простих речовин складаються з двох атомів (виняток становлять так звані благородні гази - гелій, неон, аргон та ін). Розділити, скажімо, молекулу водню на атоми справа дуже важка. Потрібно затратити для цього велику кількість енергії. Для перетворення 1 кг молекулярного водню в атомарний потрібно витратити 50 000 ккал. Цього тепла вистачить для того, щоб нагріти 500 кг води від 0°С до кипіння.Очевидно, при зворотному перетворенні атомарного водню в молекулярний повинно виділитися (і дійсно виділяється така ж кількість тепла. При згорянні самого висококалорійного хімічного палива (фтороводородного) виділяється на 1 кг всього лише 3200 ккал, тобто у 15 разів менше. Тому-то і виникла приваблива ідея: створити для ракетних двигунів паливо, яке являло б собою який-небудь газ в атомарному стані.Якщо б такий газ в камері ракетного двигуна переходив з атомарного стану в молекулярний, при цьому мало би енергії в 10 - 15 разів більше, ніж при згорянні такої ж кількості кращого хімічного палива.
Ідея про атомарному паливі виникла, але виконати її виявилося не просто. Гази в атомарному стані можуть довго існувати тільки при температурі -273°С. А при більш високих температурах атоми газів миттєво з'єднуються в молекули. Отже, зберігати паливо, що представляє собою вільні атоми будь-якого газу, практично неможливо. Краще сказати - поки що неможливо. Наука шукає способи зберігання газів, що складаються з вільних атомів.Коли ця задача буде вирішена, ракетно-космічна техніка отримає дуже потужне паливо, з яким не зможе зрівнятися жодне з освоєних і розроблюваних хімічних палив.
Ще більші можливості має інше джерело енергії, в якому тепло виділяється в результаті фізичних процесів. Ми маємо на увазі внутриядерную енергію. Таку фразу, як «матерія і енергія неподільні», вам, напевно, доводилося чути, а що це значить, далеко не кожен знає. Саме просте фізичне пояснення цій фразі дав геніальний вчений нашого століття Альберт Ейнштейн. Його пояснення зводиться до простій по виду формулі: Е = mc2.Згідно з цією формулою енергія і маса взаємопов'язані (ось чому енергія і матерія неподільні!), і всяка зміна маси супроводжується зміною енергії.
При згорянні 1 г киснево-водневої суміші (одного з найбільш теплопроизводительных хімічних палив) виділяється енергії в 1000 млрд. раз менше.
Енергію за рахунок зміни маси можна отримати двома шляхами: 1) при розщепленні ядер атомів важких елементів (таких, як уран, торій) і 2) при утворенні з ядер легких елементів, таких, як водень, дейтерій, тритій, ядер більш важких елементів. І при розщепленні важких ядер і при синтезі з легких маса продуктів реакції виявляється менше маси ядер вихідних речовин. Отже, ці процеси повинні протікати з виділенням енергії.
Можливо застосування ядерного пального в силових установках космічних ракет? Принципово немає яких-небудь перешкод до того, щоб застосовувати цей вид енергії в двигунах космічних ракет. Ще раз повторимо, що принципових труднощів немає, однак технічних труднощів багато і вони поки ще не все можна.
Отже, ми тепер знаємо, на яких паливах працюють двигуни космічних ракет в даний час, на яких вони будуть працювати в найближчому майбутньому і що можна чекати в більш віддалені часи.
Розглянемо тепер, яким чином енергія, що виділяється при горінні хімічного палива, перетворюється в механічну, тобто в енергію руху космічної ракети або космічного апарату. Так як двигуни, що встановлюються на космічних ракетах і космічних кораблях, що є двигунами прямої реакції, то потрібно, щоб в цих двигунах утворилося робоче тіло. Викид частини маси робочого тіла за межі борту космічної ракети і створить реактивну силу - причину, що викликає рух ракети.
Робочим тілом у ракетних двигунах служать гази - продукти згоряння палива. Молекули будь-якого газу, навіть при нормальній температурі навколишнього повітря, як відомо, перебувають у безперервному русі. Швидкість їх руху тим вище, чим більше температура нагріву. А в якому напрямку рухаються молекули газу? Так в самому різному. І вгору, і вниз, і вправо, і вліво. Має значення направлення руху маси, що відкидається яким-небудь тілом, для величини утворюється при цьому реактивної сили? Розберемо це на прикладі.Припустимо, з платформи, що стоїть на рейках, будуть скидати в усі сторони пісок - і вперед, назад і в сторони. Що буде з платформою? Практично нічого. Вона буде стояти на місці. А якщо тепер весь пісок скидати в одну сторону, скажімо, вздовж рейок? Платформа може почати рухатися по рейках, і, чим довше скидати з неї вантаж, тим більшу швидкість вона розвине.
Отже, робоче тіло, тобто розжарені гази, що виходять при згорянні палива, необхідно викидати з двигуна в одному визначеному напрямку. Хаотичного руху молекул газу, перед тим як вони стануть залишати двигун, стікаючи в навколишній простір, слід надати впорядкований рух, спрямований в одну сторону. Ця задача виконується спеціальним пристроєм двигуна - соплом. Найкращі результати перетворення внутрішньої енергії газів в енергію стікала струменя (т. е.механічну енергію) досягаються з допомогою так званого сопла Лаваля (на малюнку 1 таке сопло показано спільно з камерою згоряння двигуна). Після того як порція палива згорить в камері двигуна, в ній буде знаходитися газ під деяким тиском. Під дією тиску газ підходить до сопла і починає по ньому рухатися.
Як видно з малюнка, поперечний переріз сопла зменшується по мірі наближення до горловини (яка називається критичним перетином), внаслідок цього швидкість руху газу по соплу весь час зростає. У критичному перерізі швидкість газу досягає так званої звукової швидкості. Звук може поширюватися лише в якій-небудь середовищі - газоподібної, рідкої, твердої. Швидкість звуку залежить від щільності середовища і її температури.У горловині сопла швидкість потоку газу стає рівною як раз такій швидкості, з якою саме у цьому газі може поширюватися звук (тому цю швидкість і називають звуковий). В повітрі, як відомо, швидкість звуку дорівнює ~ 340 м/с. В розпеченому газі вона декілька вище.
Розмір сопла після горловини збільшується, тому потік газу при подальшому руху розширюється. Розширення газу супроводжується його охолодженням. Виділяється енергія не втрачається, а переходить в кінетичну енергію руху. Чим сильніше охолоджується газ, тим більшу швидкість руху набуває потік. Швидкість потоку в закритичній частини сопла стає більше швидкості звуку. До якої ж міри доцільно розширювати газ?
Теоретично газ в соплі слід було б розширювати до тих пір, поки вся його внутрішня енергія не перетворилася б в кінетичну енергію потоку. Однак, як показують розрахунки, щоб всю внутрішню енергію, укладену в продуктах згоряння палива, перетворити в кінетичну енергію газового потоку, сопло має бути довжиною близько 1,5 км. Що таке сопло неможливо встановити на двигуні, ясно кожному.
Практика показала, що температура газів, що утворюються в камері ракетного двигуна, при спалюванні в ній хімічних палив досягає в середньому 3000 - 3500°С. Охолоджувати газ шляхом розширення його в соплі має сенс до температури 900 - 1000°С. Подальше охолодження за рахунок розширення вимагає настільки великого збільшення розміру і ваги сопла, що вигоди вже не виходить.
В залежності від призначення двигуна величина оптимального ступеня розширення газів у його соплі змінюється. Космічні ракети робляться складовими, з декількох ступенів. Завдання першого ступеня - підняти ракету від Землі на деяку висоту. Отже, двигуни першого ступеня працюють поблизу Землі, де щільність повітря велика. Для ракетного двигуна, що працює в щільних шарах атмосфери, вигідно розширювати продукти згоряння палива не дуже сильно. Внаслідок цього сопла двигунів першого ступеня ракети мають невелику довжину.
Двигунів другого ступеня ракети, а тим більше наступним, доводиться працювати на великих висотах, де повітря дуже розріджене. В цих умовах вигідно значне розширення газів, що випливають з сопла двигуна. Тому на других і наступних щаблях ракети встановлюють двигуни з довгими соплами.
|
| Категорія: Шлях у космос | Додав: 27.09.2016
|
| Переглядів: 1956
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
