Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 43

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 43)

Поэтому естественно было обратить внимание на топлива, которые, не имея слишком большого запаса энергии, обеспечили бы высокие значения удельных тяг за счет лучших термодинамических свойств продуктов сгорания. Ранее было показано, как влияют термодинамические свойства продуктов сгорания на протекание процессов сгорания и расширения в ЖРД. Весьма показательным примером, характеризующим значение термодинамических свойств продуктов сгорания, является топливо кислород+ аммиак.

Имея теплотворную способность (за счет большого содержания азота и большой отрицательной теплоты образования аммиака), равную всего 1640 ккал/кг, это топливо может обеспечить удельную тягу 280 †: 290 кгсек/кг, что равно удельной тяге топлива кислород+керосин или несколько превосходит ее. В то'же время температура сгорания первого топлива значительно ниже, чем второго (3000' абс. против 3650' абс.). Необходимо напомнить, что такой результат имеет место за счет малого молекулярного веса продуктов сгорания (Ыз и НеО), обеспечивающего низкие температуры в камере; значительного содержания двухатомных газов (Нз), приводящего к более высокому значению показателя адиабаты расширения продуктов сгорания. По этой причине в последнее время в периодической печати широко обсуждается возможность использования в ЖРД азотоводородных топлив: аммиака, гидразина и его производных.

Точно так же повышенное содержание азота в углеводородных горючих (например, триэтиламине и диметилгндразине) хотя несколько и снижает теплотвориую способность топлив, но не приводит к уменьшению удельной тяги. При этом температура в камере будет даже несколько меньшей, что облегчает решение задачи надежного охлаждения двигателя.

Дальнейшее улучшение термодинамических свойств продуктов сгорания можно ожидать в случае использования с азотоводородными горючими фтористых окислителей. Как было уже указано (см. сзр. 164), продуктом полного сгорания этого топлива является двух- атомный газ (НР), что способствует большей стойкости продуктов сгорания против диссоциации и достижению более высокого к. п. д. расширения (ч~). И действительно, топлива фтор+гидразин и фтор+ + аммиак(см. табл. 7) дают наибольшие значения расчетных удельных тяг (360 — 370 единиц).

В то же время использование фтора совместно с обычными углеводородными горючими вряд лн целесообразно из-за 214 то о, что сгорание фтора с углеродом приводит к образованию легкодиссоциирующей пятиатомной молекулы СР4 и сопровождается относительно малым выделением тепла — 1850 икал на 1 кг СР,. Дальнейшие изыскания перспективных топлив облегчаются тем, что в настоящее время составлены таблицы термодинамических свойств продуктов сгорания всех основных элементов, которые. могут быть использованы в топливах 7КРД. Это позволяет с достаточной степенью надежности, не прибегая к дорогостоящему эксперименту, предварительно рассчитывать удельные тяги для самых различных топлив и находить оптимальные комбинации горючего и окислителя.

Тщательные расчеты удельных тяг позволяют находить наиболее перспективные топлива. Однако как теоретические исследования, так и практика термодинамических расчетов убеждают в том, что химические топлива имеют вполне определенный предел удельных тяг, порядка 380 кгсек(кг. Возможности, открываемые за счет использования в ракетных двигателях ядерной энергии Дальнейшее увеличение удельных тяг ракетных двигателей может быть достигнуто путем использования энергии ядерных реакций, или так называемой атомной энергии. Ядерные реакции в противоположность реакциям химическим происходят так, что они изменяют строение ядер атомов. По современным представлениям ядро атома состоит из тяжелых, имеющих (относительно) большую массу элементарных частиц двух видов, а именно — протонов и нейтронов.

Протон представляет собой положительно заряженную частицу с массой, равной массе ядра атома водорода. Нейтрон, как показывает его название, вообще не имеет заряда; масса нейтрона также близка к массе водородного атома. Свойства атома зависят от числа протонов и нейтронов в ядре. При этом в ядре каждого элемента число протонов Л всегда строго ограничено и численно равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Вследствие этого положительный заряд ядра составляет Л е (е — величина заряда электрона). Так как в нормальном состоянии атом электрически нейтрален, то число электронов в электронной оболочке атома, которые определяют химические свойства элемента, всегда постоянно.

Число нейтронав, находящихся в ядре, может быть различно. Прн этом, поскольку различное число не имеющих заряда нейтронов в ядре не изменяет числа электронов и строения электронной оболочки, то химические свойства атомов с разным числом нейтронов остаются неизменными, несмотря на то, что эти атомы имеют различный атомный вес, или массовое число А, представляющее сумму чисел протонов и нейтронов в ядре. Этим свойством ядер атомов объясняется существование изагопов элементов, встречающихся в природе.

Наличие изотопов приводит к 215 дробным атомным весам многих элементов. Так, например, хлор, имеющий атомный вес 35,46, является в действительности смесью трех изотопов с массовым числом А, равным 34; 35 и 37. При этом чисдос протонов Л равно порядковому номеру хлора, т. е. 17, и во всех изотопах неизменно. Строение ядра атома указывается индексами при символе элемента. Верхний символ обозначает массовое число А, представляющее сумму протонов и нейтронов; нижний индекс — число протонов я, т. е. порядковый номер ЛС.

Число нейтронов равно А — г.. Так, 11~ ~обозначает, что данный изотоп лития обладает массовым числом 8; в ядре этого атома имеется 3 протона и 5 нейтронов. При образовании ядра атома из свободных протонов и нейтронов, так же как и при образовании молекул из атомов, выделяется энергия.

Выделение энергии обусловлено тем, что ядра элементов представляют собой устойчивую систему, связанную внутриядернымй силами, возникновение которых при образовании ядра должно сопровождаться уменьшением потенциальной энергии системы. Вычисление энергии образования ядра наиболее удобно производить, пользуясь принципом эквивалентности энергии и массы, согласно которому эти величины связаны между собой соотношением Е=тсз, (Ч. 38) где Š— энергия в кгм; т — масса, выраженная в килограммах массы.„ с — скорость света, равная 3. 10', в м!сек. Энергия, эквивалентная 1 кг массы, составляет 9 10сг кгм7кг лсассьс, а в килокалориях на 1 кг веса 9 1Осс =2,15.10" ккалскг. 9,81 427 Из принципа эквивалентности массы и энергии следует, что при- тягательное взаимодействие частиц ядра, образующих устойчивый (с отрицательной потенциальной энергией) атом, сопровождается уменьшением их массы по сравнению с массой этих же частиц, уда- ленных на расстояние, исключающее взаимодействие между ними.

Это уменьшение массы при ядерных реакциях носит название дефек- та массы, обозначается ьт и может быть определено эксперимен- тально. По соотношению (1с', 38) убыль энергии системы, а значит, вели- чина выделившейся при образовании ядра атома энергии равна Е= Ьтс'. В качесзсве примера найдем энергию образования из элементарных частиц ядра атома гелия Незс, имеющего 2 нейтрона и 2 протона, а следовательно, и 2 электрона, За единицу массы при ядерных реакциях принимается с,ссл массы атома кислорссда О", равная 1,649 10 м кг массы. 218 Массы частиц, выраженные в ядерных единицах, составляют: масса свободного нейтрона........... 1,00845 масса свободного протона...........

1,007522 масса електрона.... 0,000548 масса атома гелия Не4 . . . . . . .. . . .. . 4,0033б Масса ядра гелия равна массе атома гелия за вычетом массы двух электронов: масса ядра гелия=4,00336 †0,000548=4,002264. Дефект массы при образовании ядра гелия составит Ьт= = (2. 1,00845+2 1,007522) — 4,002264=0,02968 ядерных единиц мас сы. При образовании одного атома гелия из элементарных частиц выделится следующее количество тепла: 002968.1,649 10 ат 9,81 2,15 10"=1,02 10 " ккал~атпм.

На 1 г гелия приходится тга граммоля его, а так как в граммоле любого вещества находится 6,06 10'а атомов, то общее количество тепла, выделенное при образовании 1 г гелия, составит 1 — 6,05 10га 1,02 10 " ккал)г=1,55 10' ккал~г. Это количество тепла примерно соответствует тому, которое выделяется при образовании из стандартных элементов 50 т воды. Энергия образования, а следовательно, и дефект массы различных ядер, так же как и энергия образования различных химических соединений, различна. Поэтому в принципе возможны ядерные реакции, которые при~водят к образованию ядер с ббльшими дефектами масс, чем исходные ядра.

При этом вновь образованные ядра будут более устойчивыми. Энергия, выделяющаяся при образовании нового ядра, будет эквивалентна разности дефектов масс для вновь образованных и исходных ядер. Ядерные реакции различных элементов проходят по-разному. Наиболее легко осуществляются ядерные реакции тяжелых элементов с большим массовым числом. Оказывается, что чем больше массовое число ядра, тем менее устойчиво ядро, тем большей склонностью к распаду оно обладает, Распад выражается в делении тяжелого ядра на более легкие с выделением энергии в виде излучения различных видов.

Характеристики

Список файлов домашнего задания