Понедельник, 22.10.2018, 20:06
Вы вошли как Гость | Группа "Гости" | RSS
Главная  |  Мой профиль |  Выход  Пользовательское соглашение | Правило публикации материалов  | 
Железо

 

Меню сайта

Реклама

Навигация
Технология металлов
и других конструкционных материалов
Черный хлеб металлургии
Защита нефтяных резервуаров от коррозии
Конструкция железнодорожного пути
и его содержание
Путь в космос
Метеоритные кратеры на Земле
В мире застывших звуков
Рентгенотехника
Наука и техника
Термодинамика
Ручная ковка
Юмор

Реклама

Форма входа

Статистика сайта
Онлайн всего: 2
Гостей: 2
Пользователей: 0

Сегодня были:



Главная » Статьи » Путь в космос

Реактивное движение
 Почему мы можем передвигаться по поверхности Земли? Вопрос кажется простым, а ответить на него правильно, пожалуй, сможет не каждый. Не все пешеходы знают, что, делая шаг, они ногой отталкивают земной шар, стараясь отбросить его от себя. Конечно, земной шар от толчка ногою человека не изменяет своего положения - у него для этого слишком большая масса. Но сам он в соответствии с третьим законом Ньютона действует на шагающего человека с такой же силой, с какой человек действует на него. Ведь действие равно противодействию. 

 Масса человека по сравнению с массой земного шара бесконечно мала, поэтому сила противодействия со стороны земного шара оказывается достаточной, чтобы отбросить человека на некоторое расстояние. Таким образом, каждый шаг человека по Земле есть результат действия силы отталкивания со стороны земного шара. Для того чтобы передвигаться, тело должно иметь какую-либо опору в окружающей среде, от которой оно могло бы отталкиваться. Сказанное справедливо и для всякого рода механизмов. Почему движется автомобиль? Потому что он ведущими колесами отбрасывает от себя земной шар и в результате сам подвергается действию силы со стороны Земли. То же можно сказать и о движении по воде. Морские суда движутся потому, что их гребные винты отбрасывают с некоторой скоростью массу воды в сторону, противоположную движению судна. Чем больше будет скорость отбрасываемой воды и чем больше ее масса, тем больше будет сила, действующая на судно.

 По той же самой причине передвигаются по воздуху винтовые самолеты. Вращающийся винт самолета - пропеллер отбрасывает от себя массу воздуха назад, благодаря чему возникает сила, толкающая самолет в противоположную сторону, т. е. вперед. Следовательно, движение по земле, воде и воздуху происходит из-за того, что эти среды служат опорой. В космосе нет воздуха и нет ничего другого, что могло бы служить материальной опорой для движущегося аппарата. Все двигатели, которые в настоящее время используются в транспортных машинах, не пригодны для работы в космическом безвоздушном пространстве. 

 Двигатели, применяющиеся в наземных машинах, являются двигателями непрямой реакции. Что означает такое название? Представьте себе, что вы стоите на санках и в руках у вас тяжелый предмет. Вы размахиваетесь и с силой бросаете предмет в направлении, совпадающем с направлением полозьев санок. Что произойдет с санками? Они станут двигаться и тем быстрее, чем с большей силой вы отбросите предмет. Чем вызвано движение санок? Реакцией брошенного предмета. Движение санок вызывается прямой реакцией действия. Можно ли считать действие двигателя автомобиля прямой реакцией? Нет, нельзя. Почему движется по дороге автомобиль? Конечно, не потому, что из выхлопной трубы двигателя выбрасываются отработанные газы - продукты сгорания топлива. Если отключить коробку скоростей, соединяющую ведущие колеса с валом двигателя, сколько угодно можно сжигать бензина в двигателе и выбрасывать продукты горения через выхлопную трубу - автомобиль будет стоять на месте. Для того чтобы работающий двигатель мог вызвать движение автомобиля по дороге, необходимо вал двигателя соединить с ведущими колесами. Колеса благодаря усилию, передаваемому от двигателя, будут пытаться оттолкнуть от себя земной шар, а он в свою очередь будет отталкивать автомобиль. Сила, действующая на ведущие колеса, и заставляет автомобиль двигаться. Реакция же истекающих из двигателя газов практически не оказывает никакого влияния на движение автомобиля. Таким образом, двигатель автомобиля служит примером двигателя непрямой реакции. 

 Для двигателя непрямой реакции обязательно нужна среда, которая могла бы служить опорой для движителя. (Движителем в автомобиле служат ведущие колеса, в пароходе - гребной винт, в поршневых самолетах - пропеллеры.) Имеются и другие двигатели, так называемые двигатели прямой реакции. Почти все современные истребители оснащены воздушно-реактивными двигателями, т. е. двигателями с прямой реакцией. Кто видел эти самолеты вблизи, тот, наверное, обратил внимание на их необычный вид - у них нет традиционного пропеллера. Как же они передвигаются по воздуху, чем же они отбрасывают от себя воздушную массу? 

 Движение беспропеллерных самолетов, на которых установлены воздушно-реактивные двигатели (ВРД), обеспечивается реакцией истекающих из двигателя газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Вспомните пример санок, движущихся потому, что человек, стоящий на них, отбрасывает от себя груз. Таким «грузом» в самолетах с реактивными двигателями прямой реакции служат газы - продукты сгорания топлива. Так как газы непрерывно истекают через сопло двигателя, то и самолет непрерывно испытывает действие толкающей силы, заставляющей его двигаться. По закону сохранения импульса импульс истекающего из сопла газа должен быть равен импульсу самолета, взятому с обратным знаком (при условии, что на самолет не действуют внешние силы). 

 Следовательно, ВРД обеспечивает движение самолета за счет реакции истекающей массы газов. ВРД - это двигатель прямой реакции. Можно создать летательный аппарат с воздушно-реактивным двигателем, который, совершая полет, не будет нуждаться в какой-либо опоре. А сможет ли такой аппарат с ВРД работать в безвоздушном пространстве? Оказывается, нет. В ВРД (как и в подавляющем большинстве других двигателей) горючее сгорает в атмосфере воздуха. Кислород воздуха окисляет горючее вещество, в результате чего выделяется тепловая энергия, которая затем превращается в механическую энергию движения. Воздух для ВРД нужен как источник кислорода, без которого невозможно горение топлива, поэтому самолет или любой другой летательный аппарат с ВРД может летать только в среде, где есть воздух. 

 А существуют ли такие двигатели, которые не нуждаются в воздухе как источнике окислителя топлива? Такие двигатели существуют. Если бы их не было, мы бы с вами не были свидетелями тех удивительных полетов в космическое пространство, которые совершаются в наше время. Двигатели, которые позволили выйти человеку в космос, тоже прямой реакции, но в отличие от ВРД сгорание топлива в них происходит не в атмосфере воздуха, а в окислителе, который так же, как горючее (бензин, керосин); имеется на борту летательного аппарата. Двигатели, в которых применяется жидкий окислитель и жидкое горючее, называются жидкостно-реактивными двигателями (ЖРД). 

 Жидкостно-реактивные двигатели применяются в основном в космических ракетах. Жидкостная ракета отличается от любой другой машины тем, что в ее топливных баках находится не только вещество, которое способно гореть в двигателе (оно называется горючим компонентом), но и вещество, которое не горит, но поддерживает горение (оно называется окислительным компонентом топлива). Для сжигания 1 кг горючего компонента требуется различное количество окислителя. Например, для того топлива, которое в настоящее время применяется в ракетах, на 1 кг горючего потребляется от 2,5 до 4 кг окислителя. 

 Что же является показателем ценности топлива космических ракет? Мы уже видели, что ЖРД - это двигатель прямой реакции. Движение летательному аппарату (т. е. ракете) он сообщает благодаря тому, что из его сопла выбрасывается масса газа - продуктов сгорания топлива. Сила, заставляющая двигаться ракету, тем больше, чем большим импульсом обладают истекающие из сопла двигателя газы. Но импульс - это произведение массы газов на их скорость. Для того чтобы это произведение было большим, нужно иметь либо большую скорость газов, либо большую их массу. Выгодно ли идти по пути увеличения массы газов? Нет, не выгодно. Ведь всю эту массу необходимо брать на борт космической ракеты, а это сильно увеличит ее вес, сделает ракету тяжелой и громоздкой. Поэтому такой путь нежелателен. 

 Можно увеличить скорость истечения газов. Может быть, этот путь более приемлем? Да, увеличивать скорость истечения газов из сопла двигателя полезно. Но как это сделать? Вы знаете, что в твердых телах молекулы, из которых они состоят, находятся почти в неподвижном состоянии - они могут только колебаться около своего среднего положения. Что происходит с молекулами твердого тела, если его нагревать? По мере нагревания увеличивается скорость движения молекул, пока температура тела не достигнет точки плавления и твердое тело не превратится в жидкость. В жидкостях молекулы движутся быстрее, чем в твердых телах. Нагревая жидкость, ее можно превратить в пар, т. е. перевести в газообразное состояние, В газах движущиеся молекулы имеют скорость много большую, чем в жидкостях, а тем более в твердых телах. Чем больше нагревать газ, тем быстрее будут двигаться его молекулы. 

 Таким образом, одним из основных способов получения газообразных продуктов, обладающих большой кинетической энергией, служит их нагрев. За счет чего могут нагреваться газы - продукты сгорания топлива в двигателе? Очевидно, за счет энергии, выделяющейся в процессе горения топлива. Следовательно, первым и главным условием получения большой скорости истечения газообразных продуктов сгорания из сопла двигателя является высокая теплопроизводительность топлива (теплопроизводительность - это количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы топлива). 

 Но не только теплопроизводительность определяет скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя. За счет выделяющейся энергии молекулы газа разгоняются до соответствующей скорости. А разве безразлично, что разгоняется? Если затратить одно и тоже количество энергии на разгон малого и большого шара, то при прочих равных условиях малый шар приобретает скорость большую, чем большой. Что представляет собой любой газ, в том числе и газ, образующийся при сгорании топлива в жидкостном ракетном двигателе? Вы знаете, что газ - это скопление бесчисленного множества молекул, т. е. мельчайших шариков. Размер и масса молекул различных газов не одинаковы. Самые маленькие шарики - это молекулы наилегчайшего газа водорода. Молекула воды в 9 раз больше по массе, чем молекула водорода, а молекула углекислого газа тяжелее молекулы водорода в 22 раза. Какой же газ из трех названных легче разогнать до заданной скорости? Если к указанным газам подвести одно и то же количество тепла, то скорость молекул водорода будет больше, чем молекул паров воды, а тем более молекул углекислого газа. Так мы приходим еще к одному очень важному показателю оценки качества топлива ракетных двигателей. Показатель этот - величина молекулярной массы газов, получающихся при их сгорании. Чем меньше эта величина, тем выше качество топлива. 

 Топливо в ракете хранится в топливных баках. Понятно, что баки большого объема будут иметь и большую массу. А следует иметь в виду, что топливные баки - это самая большая по размерам часть ракеты. Поэтому размер топливных баков в основном и определяет размер ракеты в целом. Вот почему желательно, чтобы топливо обладало как можно большей плотностью. При одной и той же массе компоненты с большей плотностью занимают меньший объем, чем компоненты с малой плотностью. 

 Итак, основные требования к жидким ракетным топливам заключаются в следующем: высокая теплопроизводительность и плотность и малая молекулярная масса продуктов сгорания. 

 Жидкое ракетное топливо состоит из двух частей, хранящихся в отдельных, изолированных друг от друга баках ракеты. Смешиваются компоненты топлива только при попадании в двигатель. Ознакомимся с теми веществами, которые применяются в настоящее время в космических ракетах как компоненты ракетных топлив, и теми, которые могут применяться в будущем. 

 Окислителями ракетных топлив могут служить различные вещества, в состав которых входит активный кислород, т. е. кислород, способный окислять горючие элементы. Кислород, входящий, например, в молекулу воды,- это не активный кислород. При соединении с двумя атомами водорода его окислительные свойства были использованы полностью. А вот в таких соединениях, как азотная кислота или перекись водорода, кислород находится в состоянии, при котором он еще не полностью израсходовал свою окислительную способность. Если смешать азотную кислоту с горючим веществом и нагреть смесь до соответствующей температуры, она загорится и будет гореть без доступа воздуха. Воздух для горения такой смеси не требуется, так как кислород, необходимый для поддержания горения, содержится в достаточном количестве в азотной кислоте. 

 А какую роль играют другие атомы, входящие в молекулу азотной кислоты? Ведь, помимо трех атомов кислорода, в ее молекуле содержится по одному атому азота и водорода. Эти атомы не помогают горению, от присутствия их в горючей смеси ее теплопроизводительность не увеличивается. Больше того, она даже уменьшается. Ведь если в печь вместе с кусками каменного угля, при горении которого выделяется тепло, подкладывать камни, тепла больше не получишь. Камни - это балласт, который не горит, но, нагреваясь, потребляет тепло и таким образом способствует уменьшению температуры нагрева печи. Такой же балласт представляют и атомы азота и водорода, входящие в состав молекулы азотной кислоты. Почему же эти атомы являются балластом? 

 Азот, как известно, газ инертный - это и не окислитель и не горючее, поэтому атомы азота, в каких бы соединениях они ни находились, естественно отнести к балластной примеси. Водород же известен как горючий элемент, обладающий высокой теплопроизводительностью. Это верно, но до тех пор, пока водород не подвергся окислению. В молекуле же азотной кислоты атом водорода связан непосредственно с кислородом (так же, как и в молекуле воды), поэтому он полностью окислен и в горении не участвует. Таким образом, молекула окислителя может состоять из двух видов атомов - балластных, т. е. не принимающих участия в процессе горения, и активных - поддерживающих процесс горения. О ценности окислителя ракетных топлив в известной степени можно судить по содержанию активного кислорода в его молекулах. Чем больший процент активного кислорода содержится в окислителе, тем выше его качество, тем он эффективнее. 

 Ясно, что если применять окислитель, в который входят только атомы кислорода, то это будет наилучший окислитель. А может ли быть такое вещество? Конечно, может. Мы ведь дышим воздухом, в состав которого входит кислород. Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, т. е. это окислитель со 100-процентным содержанием окислительного элемента. Поэтому кислород является очень ценным окислителем ракетных топлив. Топлива с таким окислителем обладают высокой теплопроизводительностью. В настоящее время кислород применяют во многих ракетах и, в частности, тех, которые поднимают искусственные спутники Земли и космические корабли в космическое пространство. Конечно, для питания ракетных двигателей применяется не газообразный кислород. Его превращают в жидкость и в жидком состоянии заправляют в топливные баки ракеты. 

 Жидкий кислород, жидкий газ, жидкий воздух - все это звучит немного непривычно. Вы, конечно, знаете, что все вещества могут быть переведены в любое агрегатное состояние. Для того чтобы перевести какое-либо твердое вещество в жидкость или газ, его необходимо нагревать. Чтобы осуществить обратный переход от газообразного состояния к жидкому или твердому, вещество необходимо охлаждать (под определенным давлением). Для сжижения различных газов требуется не одинаковая степень охлаждения. Так, например, для того чтобы превратить в жидкость такой газ, как аммиак, достаточно охладить его до температуры - 33° С, а для сжижения газообразного кислорода охлаждение нужно вести до температуры - 183°С. 

 Является ли жидкий кислород наилучшим из возможных окислителей ракетных топлив? Нет, могут быть окислители с еще более высокими показателями, чем чистый кислород. 

 Об одном из таких веществ, вы, возможно, слышали. После дождя летом, в поле или лесу, это вещество в очень малом количестве появляется в воздухе. Его можно обнаружить по запаху. Оно называется озоном. Чаще всего запах озона в воздухе чувствуется после дождя, которому предшествуют сильные грозовые разряды. При грозовых разрядах молекулы кислорода, находящиеся в воздухе, превращаются в молекулы озона. По составу молекулы озона и кислорода очень похожи друг на друга. В молекулу кислорода входят два атома кислорода, в молекулу озона - три. Других атомов в молекуле озона нет, т. е. это вещество, так же как и кислород, состоит на 100% из атомов кислорода. 

 Сходство кислорода и озона на этом и заканчивается. Во всем остальном они совершенно не похожи друг на друга. Плотность кислорода в жидком состоянии при температуре кипения (-183°С) равна 1,14 х 10³ кг/м³, а плотность озона тоже при температуре кипения (-112°С) равна 1,8 х 10³ кг/м³, т. е. озон тяжелее кислорода. Отличаются они и по внешнему виду. Жидкий кислород - голубоватого цвета, жидкий озон - темно-фиолетовый. Жидкий озон, как окислитель ракетных топлив, по энергетическим показателям значительно превосходит жидкий кислород, однако в ракетной технике он пока не применяется. Почему? 

 Озон, хотя и состоит из атомов кислорода, которым мы дышим, без которого невозможна жизнь, обладает исключительно высокими отравляющими свойствами. Вдыхание паров озона даже в очень малом количестве опасно для здоровья и жизни человека. Один этот недостаток, правда, не мог бы служить причиной, чтобы озон не применялся как окислитель ракетных топлив. В ракетной технике применяются вещества, не уступающие по отравляющему действию озону. Всегда можно найти средства, исключающие опасность обращения с подобным веществом. 

 Второй более серьезный недостаток озона - его исключительная взрывчатость. Даже небольшая встряска, особенно удар, может привести к взрыву озона. Взрывчатые свойства жидкого озона - главная причина того, что это вещество не применяется как компонент топлива. 

 Мы привыкли считать горением процесс соединения какого-либо вещества с кислородом с выделением при этом тепла и образованием видимого пламени. Но гореть вещества могут не только в кислороде,но и в хлоре, броме, фторе. Горение в атмосфере этих веществ также сопровождается выделением тепла и образованием видимого пламени. Хром, бром, фтор, как и кислород,являются окислителями. Из некислородных окислителей наиболее интересен фтор. В атмосфере фтора может гореть все. Даже такой классический окислитель, как кислород, горит во фторе, т. е. играет роль уже не окислителя, а горючего вещества. 

 Всем хорошо известно, что вода не горючее вещество. Она не только не горит, но предохраняет от горения другие вещества. А вот если бы случился пожар, при котором горение происходило в атмосфере газообразного фтора, а не воздуха, то такой пожар тушить водой было бы неразумно. Подливать воду во фторный пожар все равно, что подливать масло в обычный пожар. Масло подливать в огонь нельзя потому, что оно горит и, следовательно, пламя при попадании в него масла станет только больше. Вода во фторе горит подобно маслу в кислородной атмосфере. Из этого можно сделать вывод, что фтор как окислитель гораздо активнее кислорода. 

 Что представляет собой фтор? При нормальных условиях, т. е. при комнатной температуре и атмосферном давлении, фтор - газ, желто-зеленого цвета, обладающий очень сильными отравляющими свойствами. Его опасно но только вдыхать, но и находиться в атмосфере фтора, так как он поражает кожу, вызывая образование долго не заживающих язв.

 В качестве окислителя ракетных топлив целесообразно применять жидкий фтор, который получают охлаждая до температуры -150°С под определенным давлением газообразный фтор. Жидкий фтор в 1,5 раза тяжелее воды. Жидкий фтор, так же как и жидкий кислород, находясь при обычной температуре, непрерывно кипит, выделяя в окружающее пространство чрезвычайно ядовитый и пожароопасный газ. Как же в таком случае хранить жидкий фтор? Чтобы исключить попадание ядовитых паров жидкого фтора в окружающее пространство, его нужно хранить при температуре более низкой, чем температура кипения фтора. 

 Более низкую температуру кипения (-196°С) имеет жидкий азот - газ, входящий в состав воздуха. Жидким азотом и охлаждают емкость, в которую налит фтор. Хранилище жидкого фтора представляет собой цилиндр в цилиндре. Во внутреннем цилиндре содержится жидкий фтор, а во внешнем - жидкий азот. Жидкий азот постепенно испаряется, выделяя в окружающий воздух газообразный азот, безопасный для здоровья. В пожарном отношении азот также не опасен - он сам не горит и не поддерживает горения других горючих веществ. Температура же жидкого фтора благодаря охлаждению его жидким азотом все время остается значительно ниже температуры его кипения. В емкость, в которую налит жидкий азот, по мере выкипания последнего добавляют новые порции жидкости. В подобных емкостях жидкий фтор не только хранят, но и перевозят на большие расстояния. 

 Какие же преимущества имеет жидкий фтор как окислитель по сравнению с жидким кислородом? Фтор превосходит кислород по двум показателям. Во-первых, он имеет большую плотность: плотность жидкого фтора почти в 1,5 раза больше плотности жидкого кислорода, а это, как мы уже видели, имеет большое значение. В топливный бак ракеты жидкого фтора можно поместить почти в 1,5 раза больше, чем кислорода. Во-вторых, теплопроизводительность топлив с фторным окислителем выше, чем с кислородным. Вот почему, несмотря на сильную ядовитость фтора и его исключительную пожароопасность, с ним ведутся работы, и, по-видимому, в ближайшем будущем ракеты будут оснащать двигателями, работающими на фторном окислителе.

 Для фторного топлива имеет значение правильный выбор горючего. Главные горючие элементы, в тех или иных сочетаниях входящие в большинство горючих веществ (каменный уголь, нефть, торф, дрова и др.),- это углерод и водород. В некоторые горючие вещества они входят почти в чистом виде. Например, каменный уголь почти на 100% состоит из углерода, а горючий газ аммиак (NH₃) имеет в своем составе только один горючий элемент - водород. Посмотрим, какие продукты сгорания получаются при горении во фторе горючего, состоящего на 100% из углеродных атомов. Известно, что фтор - элемент одновалентный, а углерод - четырехвалентный. Следовательно, при соединении фтора с углеродом образуется молекула, в которой на один атом углерода приходится 4 атома фтора (CF₄). Молекулярная масса такого вещества равна 88. Если же во фторе будет сгорать горючее, на 100% состоящее из атомов водорода, то будет образовываться молекула, в которой на один атом водорода приходится один атом фтора (HF). Это соединение называется фтористым водородом. Молекулярная масса фтористого водорода равна 20 (в 4,5 раза меньше, чем у CF₄). Вот почему со фторным окислителем выгодно применять горючее вещество, в состав которого входят главным образом атомы водорода, и как можно меньше атомов углерода, а еще лучше, чтобы атомов углерода в горючем совсем не содержалось. 

 Из всего вышесказанного следует, что наиболее ценными окислителями ракетных топлив можно считать два - жидкий кислород и жидкий фтор. Жидкий кислород в настоящее время является основным окислителем топлив, применяемых в космических ракетах. Жидкий фтор пока не применяется, но работы по изучению его свойств как компонента топлив ведутся интенсивно. 

 Познакомимся теперь подробнее со вторым компонентом топлива - горючим. 

 Какие же вещества при горении выделяют большое количество тепла? Очень большой теплопроизводительностью обладают некоторые металлы. Металлы - горючее? Звучит непривычно. Конечно, трудно представить себе, как может работать на металлическом горючем автомобильный двигатель, но ракетный может. Как можно сжигать металлы? Если попытаться поджечь железо на воздухе, то из этого ничего не получится. Однако вы знаете, что железо на воздухе ржавеет. Что такое ржавление? Это процесс соединения кислорода воздуха с железом, т. е. процесс окисления. Он во многом схож с гниением дерева. Дерево на воздухе также постепенно окисляется и превращается в труху. Стоит же дерево нагреть до температуры 300 - 400°С, процесс гниения, т. е. медленного окисления, переходит в процесс горения, т. е. быстрого окисления. Точно так же железо, если его нагреть до высокой температуры, да еще в атмосфере чистого кислорода, начнет гореть с образованием яркого слепящего пламени. 

 В результате горения железа в чистом кислороде образуются те же окислы железа, т. е. ржавчина, что и при медленном его окислении. Но железо, как горючий компонент ракетных топлив, не представляет интереса, оно имеет сравнительно малую теплопроизводительность. Однако есть металлы, горение которых сопровождается выделением большого количества тепла. К таким металлам относится всем хорошо известный алюминий, а также магний и некоторые другие. Особенно много выделяется тепла при горении металла бериллия. Правда,металл этот очень редкий, поэтому он очень дорог. К тому же бериллий и его окислы (которые будут получаться при сгорании бериллия в ракетном двигателе) обладают чрезвычайно сильными ядовитыми свойствами. Опасность отравления при работе с бериллием, а также его дороговизна - вот причины, по которым бериллий едва ли в ближайшее время будет применяться как компонент топлива космических ракет. 

 А вот с алюминием и магнием дело обстоит проще. Давно уже прошло то время, когда алюминий ценился на вес золота. Сейчас это один из наиболее распространенных и дешевых металлов. Ведь даже столовые ложки и кастрюли делают из алюминия. Магния также в природе много и он недорог. Поэтому вполне возможно, что эти два металла станут применять в качестве составной части ракетных топлив. По-видимому, ни алюминий, ни магний в чистом виде сжигать в ракетном двигателе нецелесообразно. Дело в том, что при сгорании алюминия в атмосфере кислорода образуются окислы алюминия (Al₂O₃), молекула которых состоит из пяти атомов, а молекулярная масса Al₂O₃ равна 102. Молекула окиси алюминия очень тяжелая. Масса ее в 5,5 раза больше массы молекулы воды и в 2,5 раза молекулы углекислого газа. 

 Еще большим недостатком является высокая температура кипения окиси алюминия - она превращается в кипящую жидкость при температуре 2000°С. Следовательно, при снижении температуры продуктов сгорания топлива в жидкостном ракетном двигателе до 2000°С окись алюминия становится жидкой, а при дальнейшем снижении температуры и твердой. А когда вещество затвердевает, то образуются частицы из очень большого числа молекул. Масса таких частиц по сравнению с массой отдельных молекул будет огромной. А мы уже знаем, что это плохо. Частицу окиси металла, состоящую из многих тысяч и миллионов молекул, разогнать до большой скорости в ракетном двигателе не только трудно, но и невозможно. Поэтому сила реакции от таких частиц, вылетающих из двигателя, будет небольшой. 

 Как же рационально использовать большую теплопроизводительность металлических топлив в ракетных двигателях? 

 По-видимому, применять металлы как составную часть топлива в двигателях космических ракет можно будет в сочетании с другими горючими веществами в виде добавки к ним, повышающей теплопроизводительность топлива. 

 Сгорание такого горючего, как керосин, сопровождается образованием большого количества газообразных веществ (в основном водяных паров и углекислого газа), имеющих сравнительно небольшую молекулярную массу, но теплопроизводительность керосина по сравнению с металлами невелика. Вследствие этого температура газов - продуктов сгорания керосина - в камере ракетного двигателя также оказывается небольшой. Если же одновременно с керосином в двигателе будет сгорать какое-либо металлическое горючее (например, алюминий), то это приведет к повышению температуры газов - продуктов сгорания, т. е. повышению скорости движения их молекул. А раз скорость движения молекул увеличится, то и увеличится импульс, что, как уже было сказано, приведет к повышению реактивной силы, передаваемой двигателем ракете. 

 Как можно смешать керосин с металлом? При этом надо еще помнить и о том, что такую смесь необходимо прокачивать по трубопроводам для того, чтобы подать ее из топливного бака в камеру сгорания двигателя. Оказывается, алюминий, как и другие металлы, можно подвергать измельчению до частиц любого размера, вплоть до тончайшей металлической пыли. В таком сильно измельченном виде металл можно смешать с жидким горючим. Для того чтобы твердые частицы не осаждались на дно топливного бака, смесь, видимо, время от времени необходимо будет перемешивать. 

 Какие еще вещества могут служить горючими компонентами ракетных топлив космических ракет? Как известно, все органические вещества горят и выделяют при этом тепло. Главной составной частью органических веществ являются два элемента - водород и углерод. Так, например, все углеводороды (керосин, бензин, дизельное топливо) - это органические вещества, состоящие всего лишь из двух элементов - водорода и углерода. Хорошо известно, что теплопроизводительность нефтепродуктов тем выше, чем больше в их молекулу входит атомов водорода. Следовательно, из двух главных горючих элементов органических веществ - водорода и углерода - большей теплопроизводительностью обладает водород (примерно в 1,5 раза). Очевидно, наиболее эффективным горючим было бы такое вещество, в молекулах которого содержались бы только атомы водорода. 

 Действительно, чистый водород обладает очень высокими показателями, как горючий компонент ракетных топлив. Его теплопроизводительность превосходит теплопроизводительность керосина в 1,35 раза, а молекулярная масса продуктов сгорания меньше, чем. молекулярная масса продуктов сгорания керосина, в 1,66 раза. Но можно ли применять чистый водород в качестве компонента топлива в космических ракетах? Можно, хотя это сопряжено с некоторыми трудностями. Водород в обычных условиях представляет собой газ, который легче воздуха в 15 раз. Ясно, что применять водород в космических ракетах в газообразном состоянии практически невозможно. Слишком большой объем занимали бы топливные баки, предназначенные для хранения газообразного водорода, даже под очень большим давлением. Следовательно, так же как и кислород, его необходимо сжижать, т. е. охлаждать до температуры, при которой он становится жидким. 

 Мы уже говорили, что перевести в жидкое состояние кислород не просто. Для этого требуется охлаждать его до очень низкой температуры. Превратить же в жидкость водород еще труднее. Водород при давлении 1 атм (т. е. при давлении окружающего воздуха) может находиться в жидком состоянии при температуре - 254°С. Вспомним, что абсолютный нуль (самая низкая температура, которая теоретически возможна) равен - 273°С. Следовательно, для того чтобы водород перевести в жидкое состояние, его необходимо охлаждать до температуры, не так уж сильно отличающейся от абсолютного нуля температур. Можно ли практически это сделать? Оказывается, можно. В настоящее время в жидком состоянии получают не только водород с температурой кипения - 254°С, а и гелий, температура кипения которого -269°С, т. е. всего лишь на 4°С выше абсолютного нуля. 

 Получить жидкость, кипящую при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, не просто, и производство таких жидкостей обходится не дешево. Трудно их получить, да и сохранить более или менее длительное время тоже нелегко. 

 Однако как бы ни были совершенны хранилища жидкого водорода, все же пары его будут поступать в окружающее пространство. К чему это может привести? Водород - горючее, причем очень легко воспламеняющееся. А воздух представляет собой смесь азота с кислородом, т. е. окислителем. Пары водорода с воздухом образуют смесь, способную взрываться даже при малом содержании в смеси паров водорода. Вот почему работать с жидким водородом очень опасно. 

 Жидкий водород имеет еще один недостаток - у него очень малая плотность. 1 л жидкого водорода в 14 раз легче 1 л воды. Однако, несмотря на этот очень существенный недостаток жидкого водорода, он по сравнению с другими горючими веществами обладает тем преимуществом, что имеет большую теплопроизводительность и потому является одним из наиболее перспективных горючих компонентов ракетных топлив. 

 Мы рассмотрели наиболее важные топлива, пригодные для применения в космических ракетах. Эти топлива относятся к так называемым химическим источникам энергии. Почему к химическим? Потому что энергию эти топлива выделяют в результате протекания химической реакции - окисления горючего вещества окислителем. Получить источник энергии с лучшими показателями, чем фтороводородное топливо, можно, если воспользоваться услугами не химии, а физики. 

 Известно, что при некоторых физических процессах энергии выделяется в десятки и сотни раз больше, чем при химических.

 Такие газы, как водород, кислород и другие, при нормальных условиях существуют в вида молекул. Молекулы газов простых веществ состоят из двух атомов (исключение составляют так называемые благородные газы - гелий, неон, аргон и др.). Разделить, скажем, молекулу водорода на атомы дело очень трудное. Нужно затратить для этого большое количество энергии. Для превращения 1 кг молекулярного водорода в атомарный требуется затратить 50 000 ккал. Этого тепла хватит для того, чтобы нагреть 500 кг воды от 0°С до кипения. Очевидно, при обратном превращении атомарного водорода в молекулярный должно выделиться (и действительно выделяется) такое же количество тепла. При сгорании самого высококалорийного химического топлива (фтороводородного) выделяется на 1 кг всего лишь 3200 ккал, т. е. в 15 раз меньше. Поэтому-то и возникла заманчивая идея: создать для ракетных двигателей топливо, которое представляло бы собой какой-либо газ в атомарном состоянии. Если бы такой газ в камере ракетного двигателя переходил из атомарного состояния в молекулярное, при этом выделялось бы энергии в 10 - 15 раз больше, чем при сгорании такого же количества лучшего химического топлива. 

 Идея об атомарном топливе возникла, но выполнить ее оказалось не просто. Газы в атомарном состоянии могут длительно существовать только при температуре -273°С. А при более высоких температурах атомы газов мгновенно соединяются в молекулы. Следовательно, хранить топливо, представляющее собой свободные атомы какого-либо газа, практически невозможно. Лучше сказать - пока невозможно. Наука ищет способы хранения газов, состоящих из свободных атомов. Когда эта задача будет решена, ракетно-космическая техника получит очень мощное топливо, с которым не сможет сравниться ни одно из освоенных и разрабатываемых химических топлив. 

 Еще большие возможности имеет другой источник энергии, в котором тепло выделяется также в результате физических процессов. Мы имеем в виду внутриядерную энергию. Такую фразу, как «материя и энергия неделимы», вам, наверное, приходилось слышать, а что это значит, далеко не каждый знает. Самое простое физическое объяснение этой фразе дал гениальный ученый нашего века Альберт Эйнштейн. Его объяснение сводится к простейшей по виду формуле: Е = mc². В соответствии с этой формулой энергия и масса взаимосвязаны (вот почему энергия и материя неделимы!), и всякое изменение массы сопровождается изменением энергии. 

 При сгорании же 1 г кислородно-водородной смеси (одного из наиболее теплопроизводительных химических топлив) выделяется энергии в 1000 млрд. раз меньше. 

 Энергию за счет изменения массы можно получить двумя путями: 1) при расщеплении ядер атомов тяжелых элементов (таких, как уран, торий) и 2) при образовании из ядер легких элементов, таких, как водород, дейтерий, тритий, ядер более тяжелых элементов. И при расщеплении тяжелых ядер и при синтезе из легких масса продуктов реакции оказывается меньше массы ядер исходных веществ. Следовательно, эти процессы должны протекать с выделением энергии. 

 Возможно ли применение ядерного горючего в силовых установках космических ракет? Принципиально нет каких-либо препятствий к тому, чтобы применять этот вид энергии в двигателях космических ракет. Еще раз повторим, что принципиальных трудностей нет, однако технических трудностей много и они пока еще не все разрешены. 

 Итак, мы теперь знаем, на каких топливах работают двигатели космических ракет в настоящее время, на каких будут они работать в ближайшем будущем и что можно ожидать в более отдаленные времена. 

 Рассмотрим теперь, каким образом энергия, выделяющаяся при горении химического топлива, превращается в механическую, т. е. в энергию движения космической ракеты или космического аппарата. Так как двигатели, устанавливаемые на космических ракетах и космических кораблях, являются двигателями прямой реакции, то нужно, чтобы в этих двигателях образовалось рабочее тело. Выброс части массы рабочего тела за пределы борта космической ракеты и создаст реактивную силу - причину, вызывающую движение ракеты. 

 Рабочим телом в ракетных двигателях служат газы - продукты сгорания топлива. Молекулы любого газа, даже при нормальной температуре окружающего воздуха, как известно, находятся в непрерывном движении. Скорость их движения тем выше, чем больше температура нагрева. А в каком направлении движутся молекулы газа? Да в самом различном. И вверх, и вниз, и вправо, и влево. Имеет ли значение направление движения массы, отбрасываемой каким-либо телом, для величины образующейся при этом реактивной силы? Разберем это на примере. Допустим, с платформы, стоящей на рельсах, будут сбрасывать во все стороны песок - и вперед, и назад, и в стороны. Что будет с платформой? Практически ничего. Она будет стоять на месте. А если теперь весь песок сбрасывать в одну сторону, скажем, вдоль рельсов? Платформа может начать двигаться по рельсам, и, чем дольше сбрасывать с нее груз, тем большую скорость она разовьет. 

 Следовательно, рабочее тело, т. е. раскаленные газы, получающиеся при сгорании топлива, необходимо выбрасывать из двигателя в одном определенном направлении. Хаотическому движению молекул газа, перед тем как они станут покидать двигатель, истекая в окружающее пространство, следует придать движение упорядоченное, направленное в одну сторону. Эта задача выполняется специальным устройством двигателя - соплом. Наилучшие результаты по преобразованию внутренней энергии газов в энергию истекающей струи (т. е. механическую энергию) достигаются с помощью так называемого сопла Лаваля (на рисунке 1 такое сопло показано совместно с камерой сгорания двигателя). После того как порция топлива сгорит в камере двигателя, в ней будет находиться газ под некоторым давлением. Под действием давления газ подходит к соплу и начинает по нему двигаться. 

 Как видно из рисунка, поперечное сечение сопла уменьшается по мере приближения к горловине (которая называется критическим сечением), вследствие этого скорость движения газа по соплу все время возрастает. В критическом сечении скорость газа достигает так называемой звуковой скорости. Звук может распространяться лишь в какой-либо среде - газообразной, жидкой, твердой. Скорость звука зависит от плотности среды и ее температуры. В горловине сопла скорость потока газа становится равной как раз такой скорости, с которой именно в этом газе может распространяться звук (поэтому эту скорость и называют звуковой). В воздухе, как известно, скорость звука равна ~ 340 м/сек. В раскаленном газе она несколько выше.

 Размер сопла после горловины увеличивается, поэтому поток газа при дальнейшем движения расширяется. Расширение газа сопровождается его охлаждением. Выделяющаяся энергия не теряется, а переходит в кинетическую энергию движения. Чем сильнее охлаждается газ, тем большую скорость движения приобретает поток. Скорость потока в закритической части сопла становится больше скорости звука. До какой же степени целесообразно расширять газ? 

 Теоретически газ в сопле следовало бы расширять до тех пор, пока вся его внутренняя энергия не превратилась бы в кинетическую энергию потока. Однако, как показывают расчеты, чтобы всю внутреннюю энергию, заключенную в продуктах сгорания топлива, превратить в кинетическую энергию газового потока, сопло должно быть длиной около 1,5 км. Что такое сопло невозможно установить на двигателе, ясно каждому. 

 Практика показала, что температура газов, образующихся в камере ракетного двигателя, при сжигании в ней химических топлив достигает в среднем 3000 - 3500°С. Охлаждать газ путем расширения его в сопле имеет смысл до температуры 900 - 1000°С. Дальнейшее охлаждение за счет расширения требует столь большого увеличения и размера и веса сопла, что выгоды уже не получается. 

 В зависимости от назначения двигателя величина оптимальной степени расширения газов в его сопле изменяется. Космические ракеты делаются составными, из нескольких ступеней. Задача первой ступени - поднять ракету от Земли на некоторую высоту. Следовательно, двигатели первой ступени работают вблизи Земли, где плотность воздуха большая. Для ракетного двигателя, работающего в плотных слоях атмосферы, выгодно расширять продукты сгорания топлива не очень сильно. Вследствие этого сопла двигателей первой ступени ракеты имеют небольшую длину. 

 Двигателям второй ступени ракеты, а тем более последующим, приходится работать на больших высотах, где воздух сильно разрежен. В этих условиях выгодно значительное расширение газов, вытекающих из сопла двигателя. Поэтому на вторых и последующих ступенях ракеты устанавливают двигатели с длинными соплами.




Категория: Путь в космос | Добавил: Talabas07 (29.08.2015)
Просмотров: 4557 | Рейтинг: 5.0/1


Ags-metalgroup © 2018