Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Наконец, принцип использования силовых полей не связан с реактивным движением в общепринятом смысле и напоминает использование пилотом трансконтинентального лайнера воздушных течений для увеличения скорости лайнера относительно поверхности земли. 12.2. РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ Большое количество тепловой энергии выделяется не только прн горении. Многие химические вещества имеют очень большие эндотермические теплоты образования, так что в реакциях с участием этих веществ может выделяться больше тепловой энергии, чем при горении.
Этн вещества в основном бывают трех типов: свободные радикалы, соединения в метастабильном !2. Г1ЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ состоянии и ионы. Реализация такого вида источника энергии и рабочего тела заключается в стабилизации одного из этих типов веществ в некоторой среде и инициировании при необходимости реакции рекомбинации или деактивации, приводящих к выделению энергии. Примерами таких процессов являются: химическая реакция 2Ве+ О, 2ВеО, ЬН=-. — 6,7 ккал/г, рекомбинация свободных радикалов 2Н Н2, ЬН = — 61,7 ккал/г, деактивация вещества, находящегося в возбужденном бильном состоянии Не"-Не, (12.1) (12.2) метаста- ЬН = — 113,2 икал/г (12.3) рекомбинация ионов Не++ е — Не, Ь/7 = — 362,2 акал/г.
(1 2.4) Примеры таких веществ приведены в табл. 12.1. Таблица !2.! Эиергосодержание «иесжнгаемых» ракетных топлив Количества вивелившейек теиловай энергии Продукт реекнни Реегент кко»1моль ккол,'г Н О Х р сн, Х, Н с, н Н, ОН ХН2, Н сн, н Не' Хе* Не++ Не+ Н+ Хет+ Хеь Ве+ Вт Агат О+ В!ь Н2 О "12 г С,11е ХНЗ сн 1'Ц.13 сн Не Хе Не Не Н Хе Хе Ве В Аг О 1.! 104,2 119,! 225,9 37,8 87,3 280,3 397,2 119,2 103,4 101,9 453 380 1821,5 566,9 365,1 1444,4 497,2 293,1 287,3 1000,3 372,6 160,8 51,7 3,7 8,1 1,0 2,9 16,5 24,8 6,6 6,1 6,3 113,2 18,8 455,0 141,6 362,2 71,6 24,6 32,5 26,6 25,0 23,3 23,2 (2.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12.2 Хнрнктернстнкн топлив с добавками свободмых радикалов н ионов [8[ Температура газа в камере сгорания у, 'К Мольная дол» активного компонента Удельная тяга Ро сен Мольная лол» разбавителя Активный компонент Разбавитель О 02 Н2 Не Н2 СН4 ~НЗ) Не (Остальное Не++ Не+ Н+ Н2 Ве Ве+ П р и м е ч а н и я. ( Приведенные данные относятся к реакциям, происходящим прн давлении 42 ага, за йсключением кислородсадержащега топлива.
Для кислародсадержащего топлива Р 2( ага. 2. Предполагается, что продукты реакции топлив, ие салержащих наны, расширяются в сопле при наличии химического равновесия между компонентами Состав продуктов реакции ионосодержащих топлив нри расширении остается постоянным (заморогкенное течение). 2 Если сумма приведенных мальных долей не равна (. то дополнемием до единицы являются исходные вещества активного компонента (если нет особых оговоРок) 0,250 0,333 0,625 1,000 0,250 0,333 0,625 0,333 0,625 0,250 0,333 0,625 0,250 0,333 0,250 0,333 0,250 0,400 0,476 0,007 0,012 0,015 0,023 0,039 0,047 0,058 0,197 0,272 0,009 0,016 0,019 0,026 0,045 0,054 0,058 0,100 0,125 О, 750 0,667 0,375 0,750 0,667 0,375 0,333 0,250 0,250 0,333 0,250 0,250 0,333 0,250 0,333 0,500 0,200 0,476 0,979 0,964 0,955 0,954 0,922 0,906 0,884 0,606 0,456 0,973 0,952 0,943 0,948 0,910 0;892 0,884 0,800 0,750 650 750 1090 1400 155 180 260 128 179 248 347 350 290 370 284 353 274 398 466 500 646 708 500 646 708 802 1178 1371 223 288 315 223 288 315 330 438 491 2050 2600 4050 5100 1940 2700 3940 973 1447 3000 4800 4900 4300 5900 2550 4160 1408 2646 3385 3000 5000 6000 3000 5000 6000 3000 5000 6000 3000 5000 6000 3000 5000 6000 3000 5000 6000 м пеРспектиВные источники движения 440 Располагаемую энергию этих систем можно иногда сочетать с располагаемой энергией других систем, например 2Н++ 2е 2Н, йН ==- — 730,2 ккал, (12.5) 2Н- Неп ДН= — — 104,2 ккал, (12.6) Н, + Р, 2НР, ДН =- — 129,0 ккал, (12.7) 2Н++ 2е + Р, — 2НР, ДН = — 963,4 ккал.
(12.8) В этой схеме водород первоначально находится в ионнзованном состоянии и, кроме обычной энергии горения, выделяются энергии рекомбинации ионов и радикалов. В результате суммарная энергия в семь раз превосходит энергию горения. В действительности все топливо не может быть стабилизировано в некотором энергетическом состоянии. С точки зрения обеспечения оптимальных характеристик иногда это нежелательно делать, так как образующееся рабочее тело будет иметь слишком большой молекулярный вес.
Обычно в активированном состоянии находится лишь небольшая часть топлива, поэтому полезно определить величины удельной тяги, соответствующие различным уровням активации. Если концентрация свободных радикалов меньше !ООВ(В, можно использовать некоторые вещества в качестве разбавителей. В разд. 4.!О показано, что лучшими разбавителями являются водород или гелий вследствие их малых молекулярных весов.
В табл. 12.2 приведены некоторые данные для топлив с добавками свободных радикалов и ионов. Согласно этим данным, удельные тяги, достигаемые с применением указанных веществ, изменяются от величин, соответствующих обычным реакциям окисления-восстановления, до величин — 1000 сек, которые являются верхним пределом. 12.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРИЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ Предельной формой использования чисто тепловой энергии является ядерный двигатель. В этом типе двигателя источник энергии и рабочее тело полностью отделены друг от друга; реактор с расщеплением илн синтезом атомных ядер выделяет тепловую энергию, идущую на нагревание рабочего тела, которое затем расширяется и вытекает, создавая тягу.
Схемы типичных ядерного и термоядерного двигателей приведены на фиг. 12.1 и 12.2. Описание конструкции и работы реакторов выходит за рамки этой книги; однако важно знать ограничения, накладываемые на источник энергии. Особо важными являются два обстоя- 441 !2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ тельства. Во-первых, получаемая температура не должна превышать температуру, которую могут выдержать имеющиеся материалы' !.
Во-вторых, выделяемое тепло должно передаваться рабочему телу зй Ф и г. 12. !. Схема термоядерного ракетного двигателя (с использованием синтеза ядер). ! — водород, дейтерий или тритий. у — параметры плазмы в ялрс питона НО''К и 100 ага), 3 — высокотемпературный возбудитель синтеза ядер Ф и г. !2.2.
Схема ядерного ракетного двигателя (с исполь- зованием деления ядер) т — водород или аммиак, у — управляющие стержни, 3 — урановый реактор; 4 — насос Последнюю проблему можно разрешить двумя путями. Например, использовать рабочее тело в качестве вещества для н При этом следует учитывать существующие способы охлаждения конструкции. — Прим. ред.
я! дальнейшие материалы этого раздела в основном относятся к ядерным двигателям с твердофазной активной зоной. — Прим. ред. !Е ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ отвода тепла от реактора, но этот способ имеет два недостатка: ограниченная способность к поглощению тепла и увеличение вероятности выноса радиоактивных материалов с выхлопной струей. Применение таких охладителей, как водород, аммиак или вода, связано с утяжелением реакторов и двигателей, так как для этих веществ требуются большие теплообменные поверхности, чтобы поглощать тепло непосредственно от реактора. Второй способ предусматривает использование для отвода тепла от реактора веществ с высоким коэффициентом теплоотдачи, например жидкого лития; затем тепло передается рабочему телу в отдельном теплообменнике.
В этом случае реактор становится меньше по размерам, а двигатель более легким; однако возникают проблемы нагнетания и использования жидких металлов. Проблема материалов приводит к ограничению допустимой температуры нагрева рабочего тела, так как она определяется температурами, которые могут выдержать используемые материалы; однако благодаря непрерывному усовершенствованию материалов можно ожидать, что предел допустимых температур возрастет. Этот рост температуры сопровождается соответствующим улучшением характеристик топлив и двигателей. В табл.
12.3 приведены свойства материалов, которые могут быть использованы в реакторах ядерных двигателей. Выбор рабочего тела осуществляется по методу, сходному с методом выбора химических топлив, за исключением того, что здесь не учитывается энергия горения. Первостепенную важность имеет молекулярный вес рабочего тела (см. табл. 4.1). В табл. 12.4 сравниваются характеристики четырех рабочих тел. Водород, очевидно, наиболее эффективен; он обеспечивает наибольшую величину удельной тяги, достижимую с помощью ядерных двигателей, но имеет малую плотность и должен храниться при очень низких температурах. Такие же недостатки присущи гелию, который к тому же обеспечивает меньшие удельные тяги; кроме того, он является дорогостоящим и дефицитным продуктом.
Вода характеризуется высокой плотностью и удобна с точки зрения хранения и эксплуатации; она дешева и имеется в больших количествах, но обеспечивает низкие удельные тяги. Несомненно она найдет некоторое применение в тех случаях, когда допустимы низкие характеристики. Аммиак по характеристикам приближается к гелию и имеет ббльшую плотность. Он не так дефицитен и хранится не при столь низких температурах. Возможно, он является более подходящим рабочим телом для ядерного ракетного двигателя, чем водород. В табл.
12.5 сравниваются основные параметры ракет с ядерными двигателями, в кьгорых в качестве рабочего тела используются )Д ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12.3 Прочность на разрив при указанной температуре Темпера- Плот- тура ность '), а/сма Применение Матернал плавления, (кз) см') *) 3900 з) 1,75 3000 Тепловыделяющий элемент и зал)едли- тель 210 — 4 20 Графит, С 3670 19,1 3000 Вольфрам, )л)' Тепловыделяющий элемент 3000 То же 3000 1100 3440 3250 2860 2660 4170 280 †4 70 — 420 35 — 70 2100 м),5 16,6 10,2 8,6 7,8 Реннй, Ре Тантал, Та Молибден, Мо Ниобий, ЫЬ Карбид ниобия, ЫЬС Карбид тантала, ТаС ТааС Карбид циркония, ТТС Карбид вольфрама, 'й)'С Ч С Бериллий, Ве Окись бериллия, ВеО Бор, В 273 140 †2 4140 3660 3470 14,5 15,1 6,8 11лб 2830 3110 1550 2800 2400 273 15,6 17,2 1,85 2,7 2,3 420 70 — 280 2520л) 1100 1500 273 Замедлитель Управляющий элемент 1575 3010 1250 То же 600 2700 2400 2,5 13,4 Карбид бора, В,С Гафний, Н1 ') Прв комнатной температуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
