+7 (495) 720-06-54
Пн-пт: с 9:00 до 21:00, сб-вс: 10:00-18:00
Мы принимаем он-лайн заказы 24 часа*
 

Горючее для ракетного двигателя: Углеводородное горючее для ракетных двигателей

0

Углеводородное горючее для ракетных двигателей


    Г. Ф. Большаковым и Е. А. Глебовской [14] спектральными методами были изучены отложения из системы охлаждения ракетного двигателя, работающего на жидком кислороде и углеводородном горючем (рис. 37). [c.87]

    В ракетных двигателях широко используются различные виды углеводородных горючих. К ним относятся продукты переработки нефти керосин, лигроин и др., скипидар — продукт переработки живицы — сока хвойных деревьев. [c.109]

    УГЛЕВОДОРОДНОЕ ГОРЮЧЕЕ ДЛЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ [c.77]

    Углеводородное горючее для ракетных двигателей отличается от реактивных топлив типа керосина значительно более высокой температурой начала кристаллизации (—38 °С), малым допустимым содержанием ароматических (5%) и олефиновых (1%) углеводородов и общей серы (0,05%). [c.77]

    В данное время трудно провести принципиальную грань между газотурбинными керосинами и углеводородными горючими для ракетных двигателей.

Последние отличаются от первых лучшей очисткой, более четким фракционным составом, а в некоторых случаях включают непредельные углеводороды или являются синтетическими углеводородными продуктами нафтенового характера. [c.46]

    Углеводородные горючие для ракетных двигателей [c.54]

    Целесообразность применения борных горючих в жидкостных ракетных двигателях считается сомнительной. Основной недостаток этих горючих в этом случае можно объяснить большим молекулярным весом продуктов сгорания бора (например, у В2О3 молекулярный вес 60), вследствие чего эффективность топлив с борсодержащими горючими компонентами ненамного превосходит эффективность топлив с обычными углеводородными горючими. 

[c.87]

    В настоящее время технически доступными веществами, пригодными для приготовления горючих суспензий, считаются алюминий, бор и магний. Магний обладает повышенной химической активностью, вследствие чего он имеет и наиболее высокую скорость сгорания в камере двигателя. Он с большей легкостью, чем другие металлы, подвергается тонкому измельчению, что является одним из главных условий возможности приготовления суспензий с приемлемыми свойствами (подвижность, стабильность, полнота сгорания в двигателе). Поэтому суспензии магния в углеводородных горючих представляют наибольший интерес. Отмечается, что горючие суспензии металлов могут дать хорошие результаты только при использовании их в воздушно-реактивных двигателях. Применение их в ракетных двигателях из-за высокой температуры кипения окислов металлов н значительного молекулярного веса продуктов сгорагшя едва ли будет целесообразно. 

[c.88]


    Условия применения углеводородных топлив в ракетных двигателях и в сверхзвуковых самолетах существенно различаются. Например, в советском ракетном двигателе РД-107 с тягой в пустоте 102 т топливо проходит следующий путь по системе топливопитания [8]. Из бака под наддувом газифицированного азота горючее поступает в центробежный насос, откуда через главный клапан — в зарубашечное пространство двигателя.
Часть топлива после главного клапана горючего отбирается в систему автоматического управления рабочим процессом, где имеются узлы с зазорами трущихся нар П—20 мк. [c.9]

    Самый интенсивный нагрев топлива происходит в системе охлаждения. Температура топлива перед поступлением в камеры сгорания составляет 180—220° С [63, 64]. Ракетные двигатели работают от 2 до 8 мин [8], за это время в топливе может образоваться твердая фаза, которая, откладываясь в каналах охлаждающего тракта, вследствие низкого коэффициента теплопроводности, может нарушить нормальную передачу тепла из камеры сгорания. Казалось бы, что при использовании азота в качестве наддувающего газа, не будет наблюдаться значительного окисления тонлИва и образования в нем осадков и смол. Однако эхо не так. В хранящемся в обычных условиях углеводородном топливе растворено около 25% воздуха (от объема горючего). Даже десятой доли этого воздуха достаточно, чтобы образовалось значительное количество смол и осадков [14].

[c.10]

    Т. с. углеводородных топлив с разными окислителями. В ракетных двигателях углеводородные горючие могут применяться с разными окислителями. Ниже приводится по данным М. Е. Резникова теплота сгорания основных групп углеводородов с применением в качестве окислителей 1сислорода и фтора. [c.636]

    Космические исследования спали возмояагы в результате научно-технической революции во всех от аслях народного хозяйства, в частности химии и химической технологии, на основе которых разработаны и вошли в практику новые компонепт),г и топлива для ракетных двигателей жидкие кислород и водород, углеводородные горючие, гидразин и его производные, не])екись водорода, четырехокись азота, твердые смесевые ракетные топлива и др. 

[c.5]

    Двигатель Паулета является, Повидимому, первым образцом ракетного двигателя, работавшим на Двухкомпонентном топливе, где окислитель и углеводородное горючее находятся в различных баках и их смешение происходит только в камере сгорания. Использование в качестве окислителя двуокиси азота явилось, таким образом, предвестником современных ракетных топлив, а конструкция примененного Паулетом испытательного стенда почти не отличается от современной. Использовавшийся Паулетом периодический вирыск горючего в современных двигателях не применяется. В последних почти всегда имеет место непрерывное сгорание при постоянном давлении. 

[c.52]

    Высокооборотные лопаточные насосы, т. е. насосы с угловой скоростью от 300 до 6000 рад/с применяются в авиации [4], ракетостроении [43] и в ряде случаев в химическом и общем машиностроении, энергетике и других областях техники. Они просты по конструкции, имеют малые массы и габариты, обладают высокой экономичностью. Благодаря повышенной угловой скорости вращения приводом для этих насосов без применения редуктора могут быть такие агрегаты, как газовые турбины или высокооборотные электрические машины. Весь агрегат насос-привод. получается довольно компактным, относительно малой массы и достаточно экономичным.

При этом, чем выше частота вращения вала, тем больший эффект может быть достигнут по всем указанным выше показателям. Не случайно такие агрегаты нашли наиболее широкое применение в ракетостроении и авиации. В качестве примера на рис. 1 показан турбонасосный агрегат отечественного жидкостного ракетного двигателя РД-107, используемого на первой ступени ракеты-носителя для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и к ближайшим планетам Солнечной системы [21]. Этот агрегат обеспечивает подачу топлива (жидкого кислорода и углеводородного горючего) из баков ракеты в камеру сгорания двигателя под высоким давлением. Приводом для насосов является газовая турбина, работающая на продуктах разложения концентрированной лерекиси водорода. 
[c.8]


Пусковое горючее — это… Что такое Пусковое горючее?

Пусковое горючее
        жидкое ракетное горючее, служащее для инициирования горения в камере сгорания ракетного двигателя, работающего на топливе (окислителе и горючем), несамовоспламеняющемся, при обычной (в условиях эксплуатации) температуре.
Для инициирования горения участок трубопровода (по которому подаётся горючее в камеру сгорания), примыкающий непосредственно к ракетному двигателю, заполняется П. г. При запуске П. г. вытесняется основным горючим и первым подаётся в двигатель. При контакте П. г. с окислителем ракетного топлива происходит самовоспламенение П. г. и затем загорание основного топлива. К П. г. предъявляются требования: способность активно самовоспламеняться, безопасность, стабильность, совместимость с конструктивными материалами и др. П. г. впервые было применено в Газодинамической лаборатории (См. Газодинамическая лаборатория) в 1933.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

  • Пусковая установка
  • Пусковое сооружение

Смотреть что такое «Пусковое горючее» в других словарях:

  • Космос (ракета-носитель) — У этого термина существуют и другие значения, см. Космос. Космос 3М …   Википедия

  • Космос (РН) — Космос 3М Общие сведения Страна …   Википедия

  • Космос-2 (ракета-носитель) — У этого термина существуют и другие значения, см. Космос. Космос 2 Общие сведения Страна …   Википедия

  • Алюминий — 13 Магний ← Алюминий → Кремний B ↑ Al ↓ Ga …   Википедия

  • Р-11 — Р 11/P 11M индекс ракеты/комплекса: 8А61/8K11 обозначение НАТО: SS 1B «Scud A» …   Википедия

  • Алюминий — (Aluminum) Сплавы и производство алюминия, общая характеристика Al Физические и химические свойства алюминия, получение и нахождение в природе Al, применение алюминия Содержание Содержание Раздел 1. Название и история открытия . Раздел 2. Общая… …   Энциклопедия инвестора

  • Р-12 — индекс ГРАУ: 8К63 по классификации НАТО: SS 4 Sandal Тип баллистическая ракета средней дальности …   Википедия

  • С2. 253 — Тип: ЖРД с открытой схемой Топливо: керосин (ТГ 02) Окислитель: азотная кислота Камер сгорания: 1 Страна: СССР Использование: Время эксплуатации: c 1955 года …   Википедия

  • Эль-Хусейн (ракета) — Эль Хусейн обозначение НАТО: SS 1c «Scud B» «Аль Х …   Википедия

  • Р-17 — Эта статья включает описание термина «Эльбрус»; см. также другие значения. Р 17 индекс ракеты/комплекса: 8К14/9К72 обозначение НАТО: SS 1c «Scud B» …   Википедия

горючее для жидкостных ракетных двигателей — патент РФ 2133367

Горючее может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях. В качестве горючего применен раствор лития в аммиаке. Это горючее имеет преимущества, характерные для известных металлосодержащих горючих, такие, как высокая теплотворная способность и высокий удельный импульс тяги, получаемый при их применении. А кроме того это горючее имеет такие положительные особенности чисто жидких горючих, как высокая простота, надежность и эффективность их подачи в камеру сгорания, низкая вязкость, полное отсутствие опасности засорения магистралей и форсунок (при отсутствии примесей), отсутствие эффекта расслаивания и высокая стабильность состава.

Формула изобретения

Применение раствора лития в аммиаке в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к области ракетной техники, а именно — к горючим для жидкостных ракетных двигателей. Известно применение аммиака NH3 в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей — см., например, стр.217 в книге «Теория ракетных двигателей» — авторы В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин, Москва изд. «Машиностроение», 1980 г. Недостатком этого горючего является невысокий удельный импульс тяги, получаемый при его использовании даже с высокоэффективными криогенными окислителями. Так, например, при использовании в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) в качестве топлива жидкого аммиака и жидкого кислорода получают удельный импульс тяги в пустоте (Iу.п.), равный 3472 м/с (при давлении в камере сгорания (Рк. ), равном 10000 кПа, степени расширения продуктов сгорания (), равной 1000, и при коэффициенте избытка окислителя (), равном 1,0). Наиболее близким к заявляемому объекту является металлосодержащее горючее, состоящее из жидкого горючего компонента и суспензии или геля лития, бериллия или алюминия — см. стр.222-224 в указанной выше книге. Недостатками такого горючего являются невысокая стабильность, связанная с расслаиванием его составных частей, и сложность его подачи в камеру сгорания. Целью предлагаемого технического решения является совмещение преимуществ, характерных для известных металлосодержащих горючих, — таких как высокая теплотворная способность и высокий удельный импульс тяги, получаемый при их применении, — с такими положительными особенностями чисто жидких горючих компонентов, как высокая эффективность, простота и надежность их подачи в камеру сгорания ЖРД, низкая вязкость, полное отсутствие опасности засорения магистралей, отсутствие эффекта расслаивания и высокая стабильность состава. Указанная цель достигается в результате применения раствора лития (Li) в жидком аммиаке (NH3) в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей. Известно применение раствора лития в жидком аммиаке в качестве высокоэффективного восстановителя (см. книгу «Современная неорганическая химия» (том 2), Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон, М. изд. «Мир», 1969г., стр.166), а также в качестве среды для осуществления разнообразных химических реакций и получения на этой основе различных органических и неорганических соединений (см. книгу «Курс неорганической химии» (том II), Г.Реми, М., изд. «Мир», 1974г., стр.715). Раствор лития в жидком аммиаке существует при нормальном атмосферном давлении не только в области температур существования жидкого аммиака (от -77,8oС до -33,4oС,), но и при температурах от -33,4oС до температуры плавления лития (+180,54oС), а также в диапазоне температур от -77,8oС до -183oС. При температуре, равной -33,4oС, в аммиаке растворяется примерно 15% (мольных) лития. С повышением температуры растворимость лития в NH3 быстро возрастает и становится бесконечно большой при температуре плавления щелочного металла (при этом литий смешивается с аммиаком в любых отношениях). Аммиак из концентрированных растворов испаряется, медленно, так как давление его насыщенных паров стремится к нулю при увеличении концентрации металла. (Удельный вес концентрированного раствора лития в жидком аммиаке при +20oС равен 0,48 г/см3). В предлагаемом горючем концентрация лития может задаваться (меняться) в широких пределах — от долей процента (по массе) до практически 100%. Поэтому указывать предельные значения минимальной и максимальной концентрации лития в его растворе в аммиаке нецелесообразно, так как диапазон возможных рабочих концентраций равен практически ста процентам. Следует, однако, отметить, что наиболее целесообразно, естественно, применение в качестве горючего концентрированных растворов. Как отмечается выше, растворимость лития в аммиаке существенно зависит от температуры, поэтому характерной особенностью предлагаемого горючего является достаточно широкий рабочий температурный диапазон — от примерно минус 40oС до плюс 60 — 90oС. Если в предлагаемом горючем концентрация лития равна 30 — 70% (мольных), то в ЖРД возможен режим горения лития и термического разложения аммиака (без горения водорода), что обеспечивает существенное уменьшение средней молекулярной массы продуктов сгорания и, следовательно, дополнительное увеличение удельного импульса тяги. Для увеличения эффективности указанного процесса в состав одного из компонентов может вводиться дополнительно катализатор для каталического разложения (в камере сгорания и/или в сопле) аммиака в количестве, равном нескольким десятым доли процента от массы аммиака в предлагаемом горючем. Этот катализатор может либо входить в состав выбранного компонента, либо вводиться в его состав непосредственно перед его поступлением (подачей) в камеру сгорания. В качестве такого катализатора могут быть использованы, например, вещества, используемые для каталитического разложения гидразина или для синтеза аммиака. Следует отметить, что использование в качестве горючего чистого (со 100% концентрацией) лития требует либо решения проблемы его подачи в камеру сгорания в твердом виде (например, в виде порошка), либо решения проблемы его хранения и подачи в камеру сгорания в расплавленном состоянии при температуре +190 — 200oС. Вероятность положительного решения этих 2-х проблем представляется крайне незначительной, поэтому использование раствора лития в аммиаке является, вероятно, достаточно близким к оптимальному решением проблемы создания эффективного металлосодержащего горючего для ЖРД. Оценка величины удельного импульса тяги, который может быть получен при использовании предлагаемого горючего (без учета изменения энтальпии при образовании раствора), показывает, что применение раствора лития в аммиаке в качестве горючего для ЖРД позволяет существенно — до 10 — 15% — увеличить удельный импульс тяги двигателя по сравнению с удельным импульсом тяги, получаемым при использовании в качестве горючего аммиака (окислитель при этом используется один и тот же). В качестве окислителя вместе с предлагаемым горючим могут использоваться практически все известные окислители — как криогенные, так и не криогенные, например, O2, F2, OF2, NF3, N2F4, ClF5 и др. В приципе, при определенных условиях в качестве горючего для ЖРД или иных двигателей (например для ПВРД, ТРД и т.п.) могут быть использованы растворы в аммиаке и иных щелочных или щелочноземельных элементов, а также их смеси. Итак, предлагаемое металлосодержащее горючее позволяет не только увеличить удельный импульс тяги, но и обеспечивает получение эксплуатационных характеристик, свойственных обычным жидким горючим, — простоты и надежности их подачи в камеру сгорания, низкой вязкости, отсутствия опасности засорения магистралей и форсунок, что определяется стабильностью состава и отсутствием опасности расслоения компонента.

Дорога в космос: необычный выбор топлива

Звезды всегда манили к себе человека.  И дорогу в космос ему открыло то же самое топливо, что он сжигал в своих печах и примитивных лампах. Правда, потребовалось многое понять и многому научиться. Тем не менее, и сегодня мы запускаем наши ракеты, используя старое доброе углеводородное топливо. Это наше прошлое, настоящие и будущее — еще на много лет. 

Ракетой называется такой летательный аппарат, который перемещается за счет реактивной силы, возникающей в результате выбрасывания части собственной массы в направлении, противоположном ее движению. Есть важный нюанс — ракета, в отличие от реактивного самолета, не использует для полета вещество из окружающей среды. То есть кроме топлива она несет в себе еще и вещество, в котором это топливо будет сгорать — так называемый окислитель.

Характеристики полета ракеты определяются тем, какую массу и с какой скоростью она выбрасывает в процессе своей работы. В идеале хорошо бы отбрасывать тяжелое вещество с большой скоростью. А для этого в ракете должен протекать процесс, который обеспечит наиболее эффективное преобразование скрытой химической энергии топлива и окислителя в кинетическую энергию реактивной струи. К сожалению, в природе так не получается.

Первые ракеты были изобретены в Древнем Китае более двух тысяч лет назад, когда каким-то образом был сделан черный порох. В этой смеси уголь был топливом, селитра — окислителем, сера — катализатором процесса. И в течение сотен лет, вплоть до начала ХХ века, именно черный порох был тем горючим, на которое надеялись энтузиасты, мечтавшие вырваться из оков земного тяготения. 

Правда, они уже понимали, что у твердого топлива есть свои принципиальные недостатки — например, горением твердого топлива в ракете практически невозможно управлять. Да и эффективность этого топлива не самая лучшая. Поэтому на заре ХХ века появилась новая идея — создать ракетный двигатель на жидком топливе, тягой которого можно управлять. 

Теоретически все выглядело очень красиво. Нужно было взять жидкое топливо, например спирт или продукт перегонки нефти, а также какой-нибудь подходящий окислитель. Встретившись, эти вещества начали бы гореть в специальной камере и вылетать с огромной скоростью из сопла, обеспечивая ракете реактивную тягу. Регулируя подачу топлива и окислителя, реактивной тягой можно управлять, выключать двигатель и запускать заново. Но на практике все оказалось гораздо сложнее.

Чтобы запустить космический корабль на орбиту, а затем спустить его на Землю, топливо потребуется дважды — при разгоне во время выхода в космос и при торможении, чтобы сойти с орбиты. Каждый маневр требует своего запаса топлива, и чем больше топлива нам надо взять с собой, тем мощнее должна быть первая ступень ракеты, которая оторвет нас от Земли. Если запускается спутник на околоземную орбиту, то соотношение полезной нагрузки к общей массе ракеты будет около 1:40. В случае лунной обитаемой экспедиции на Землю вернется всего 1/550-я стартовой массы. 

Это означает, что космические запуски для обеспечения их максимальной эффективности должны осуществляться разными ракетами-носителями, которые используют разные виды топлива и окислителя. Поначалу выбирали между спиртом и керосином, а из окислителей — между жидким кислородом и азотной кислотой. Потом стали появляться другие вещества, которые можно было применить в ракете с жидкостным двигателем. 

Военные инженеры однозначно голосовали за так называемый гептил и азотную кислоту с тетраоксидом диазота, так как ракеты на этой смеси быстрее приводились в боевое состояние. Для гражданских целей или плановых военных запусков можно было использовать другие комбинации. 

В СССР королем пилотируемых запусков стала пара «керосин + жидкий кислород», которая вывела в космос первый спутник и первого человека. Ракеты-носители семейства «Союз» по сей день являются самыми надежными «рабочими лошадками» космонавтики. Обычные грузы забрасываются на орбиту ракетами «Протон», которые летают на гептиле. 

В США также использовали и используют керосин и жидкий кислород. Однако в рамках программы «Аполлон» была применена следующая комбинация: первая ступень работала на керосине и кислороде, а вот вторая и третья — на паре «жидкий водород + жидкий кислород». Это самая эффективная пара горючего и окислителя, в дальнейшем она была применена на космических кораблях «Спейс шаттл», в советском комплексе «Буран-Энергия» и сейчас применяется в ракете Европейского космического агентства «Ариан-5». 

Водород как топливо всем хорош, в том числе и тем, что в процессе его сгорания в кислороде образуется лишь вода. Однако производство и хранение жидкого водорода весьма затратный процесс. Стремление получить более эффективное топливо побудило еще в 50-е годы начать работы по созданию своеобразного синтетического керосина, который можно было бы использовать как обычный керосин, но с гораздо более высокой эффективностью. 

Так появился синтин — искусственное топливо, получаемое в результате многоступенчатого химического процесса. И хотя оно действительно эффективнее керосина, но сложность его получения ограничивает использование, поскольку с распадом СССР на первое место вышла экономическая эффективность космических запусков. Одновременно появились и экологические ограничения. 

В начале нового века появилась еще одна проблема — ограниченность источников качественного керосина. Для ракетных двигателей нужно высококачественное горючее, но источники нефти, из которой можно получить его, отнюдь не бесконечны. Поэтому возникла идея использовать вместо керосина сжиженный природный газ. 

Метан — второй после водорода в рейтинге экологичности — при сгорании оставляет воду и углекислый газ. Хотя он энергетически менее эффективный, чем водород, но вместе с тем более эффективный, чем керосин. При этом природный газ не образует в двигателе нагар, который неминуемо образуется при сгорании керосина. А это открывает возможность для создания двигателей многоразового использования.

Конструкторы предполагают, что на сжиженном природном газе может летать первая ступень ракеты, которая после выполнения своей работы в плановом режиме вернется на космодром. Технология такого полета была отработана в системе «Энергия-Буран » и в принципе не представляет особой сложности.  

Испытания ракетных двигателей, работающих на жидком природном газе, проводились в России и США начиная с 2007 года. Это топливо дешево и широко доступно, резервы его даже на Земле практически неисчерпаемы в обозримом будущем и уж тем более в нашей Солнечной системе. 

Мы уже создали весьма прогрессивные двигатели для полетов в открытом космосе — плазменные и ионные — и вскоре сможем запустить системы с атомной (а, возможно, в будущем — и с термоядерной) энергетической установкой. Но стартовать с Земли все равно придется на ракетах, использующих энергию химических реакций. Они медлительны, но очень мощны. И газовые ракеты могут облегчить этот первый шаг на пути человека в космос. 


Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+


Топливо для жидкостно-реактивного двигателя. Ракетные двигатели

Топливо для жидкостно-реактивного двигателя

Важнейшие свойства и характеристики жидкостно-реактивного двигателя, да и сама конструкция его, прежде всего зависят от топлива, которое применяется в двигателе.

Основным требованием, которое предъявляется к топливу для ЖРД, является высокая теплотворная способность, т. е. большое количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива[10]. Чем больше теплотворная способность, тем, при прочих равных условиях, больше скорость истечения и тяга двигателя. Более правильным является сравнение различных теплив не по их калорийности, а непосредственно по скорости истечения, которую они обеспечивают в равных условиях, или, что то же самое, по удельной тяге.

Помимо этого главного свойства топлив для ЖРД к ним обычно предъявляются и некоторые другие требования. Так например, большое значение имеет удельный вес топлива, так как запас топлива на самолете или ракете обычно ограничивается не его весом, а объемом топливных баков. Поэтому чем плотнее топливо, т. е. чем больше его удельный вес, тем больше по весу войдет топлива в те же топливные баки и, следовательно, будет больше продолжительность полета. Важно также, чтобы топливо не вызывало коррозии, т.  е. разъедания ржавчиной, деталей двигателя, было просто и безопасно в хранении и перевозке, не было дефицитным по источникам сырья.

Наиболее часто в настоящее время в ЖРД применяются так называемые двухкомпонентные топлива, т. е. топлива раздельной подачи. Эти топлива состоят из двух жидкостей, хранящихся в отдельных баках; одна из этих жидкостей, обычно называемая горючим, чаще всего представляет собой вещество, принадлежащее к классу углеводородов, т. е. состоит из атомов углерода и водорода, а иногда содержит и атомы иных химических элементов — кислорода, азота и других. Горючим этот компонент (составную часть) топлива называют потому, что при его сгорании, т. е. соединении с кислородом, выделяется значительное количество тепла.

Другой компонент топлива, так называемый окислитель, содержит кислород, необходимый для сгорания, т. е. окисления горючего, почему этот компонент и получил название окислителя. Окислителем может служить чистый кислород в жидком состоянии, а также озон или какой-либо кислородоноситель, т.  е. вещество, содержащее кислород в химически связанном виде: например, перекись водорода, азотная кислота и другие кислородные соединения. Как известно, в воздушно-реактивных двигателях, как и в обычных двигателях внутреннего сгорания, окислителем служит кислород атмосферы.

В случае двухкомпонентного топлива обе жидкости по отдельным трубопроводам подаются в камеру сгорания, где и происходит процесс горения, т. е. окисления горючего кислородом окислителя. При этом выделяется большое количество тепла, вследствие чего газообразные продукты сгорания приобретают высокую температуру.

Наряду с двухкомпонентными топливами существуют и так называемые однокомпонентные, или унитарные, топлива, т. е. топлива, представляющие собой одну жидкость. Однокомпонентным топливом может служить либо смесь двух веществ, реагирующих лишь в определенных условиях, которые создаются в камере, либо какое-нибудь химическое вещество, при некоторых условиях, обычно в присутствии соответствующего катализатора, разлагающееся с выделением тепла. Таким однокомпонентным топливом является, например, высоко-концентрированная (крепкая) перекись водорода.

Перекись водорода в качестве однокомпонентного топлива имеет лишь ограниченное применение. Это объясняется тем, что при реакции разложения перекиси водорода с образованием паров воды и газообразного кислорода выделяется лишь сравнительно небольшое количество тепла. Вследствие этого скорость истечения оказывается относительно невысокой, практически она не превышает 1200 м/сек. Так как температура реакции разложения невелика (около 500 °C), то такую реакцию обычно называют «холодной», в отличие от реакций со сгоранием, хотя бы с той же перекисью водорода в качестве окислителя, когда температура бывает в несколько раз больше («горячие» реакции). Мы потом познакомимся со случаями использования «холодной» реакции разложения перекиси водорода.

Практически все существующие жидкостно-реактивные двигатели работают на двухкомпонентном топливе. Однокомпонентные топлива не применяются, так как при значительной теплотворной способности, большей чем 800 кал/кг, они взрывоопасны. Состав топлива, т. е. выбор определенной пары «горючее-окислитель», может быть при этом самым различным, хотя в настоящее время предпочтение отдается нескольким определенным комбинациям, получившим наиболее широкое применение. Вместе с тем производятся энергичные поиски лучших топлив для ЖРД, и в этом отношении действительно имеются огромные возможности.

Применяемые в настоящее время двухкомпонентные топлива обычно делятся на самореагирующие, или самовоспламеняющиеся, и несамореагирующие, или топлива принудительного зажигания. Самовоспламеняющееся топливо, как показывает само название, состоит из таких компонентов «горючее — окислитель», которые при смешении их в камере сгорания двигателя самовоспламеняются. Реакция горения начинается сразу же после соприкосновения обоих компонентов и идет до полного израсходования одного из них. Несамовоспламеняющееся топливо требует специальных приспособлений для воспламенения смеси, т. е. для начала реакции горения. Эти запальные приспособления — впрыск каких-нибудь самовоспламеняющихся жидкостей, различные пиротехнические запалы, для сравнительно маломощных двигателей — электрическое зажигание и другие, — необходимы, однако, только при запуске двигателя, так как затем новые порции топлива, поступающего в камеру сгорания, воспламеняются от уже существующего в камере постоянного очага горения или, как говорят, факела пламени.

В настоящее время применяются как самовоспламеняющиеся, так и несамовоспламеняющиеся топлива и отдать предпочтение какому-либо одному из этих двух видов затруднительно, так как обоим типам топлива свойственны серьезные недостатки.

Несамовоспламеняющиеся топлива представляют большую опасность в эксплоатации, так как из-за неполадок в зажигании при запуске двигателя или возможных перебоев в горении при его работе, в камере сгорания даже за доли секунды накапливаются большие количества топлива. Это топливо, представляющее собой сильно взрывчатую смесь, затем воспламеняется, что чаще всего ведет к взрыву и катастрофе.

С другой стороны, известные самовоспламеняющиеся топлива обычно менее калорийны, чем несамовоспламеняющиеся. Кроме того, они должны применяться совместно с добавочными веществами, обеспечивающими энергичное начало и дальнейшее протекание реакции горения. Эти добавочные вещества, так называемые инициирующие вещества и катализаторы, добавляемые либо к окислителю, либо к горючему, усложняют эксплоатацию топлива, так как оно становится при этом неоднородным (приходится считаться с расслаиванием и другими свойствами неоднородных жидкостей). Пожалуй, наибольшим недостатком этих топлив является пожарная опасность при их эксплоатации. При малейшей течи компонентов топлива на самолете или ракете может возникнуть пожар, так как компоненты при смешении воспламеняются.

Мы упомянем лишь о наиболее распространенных топливах. В качестве окислителя в настоящее время наиболее часто применяются жидкий кислород и азотная кислота; применялась также перекись водорода. Каждый из этих окислителей имеет свои достоинства и недостатки. Жидкий кислород обладает тем преимуществом, что является 100 %-ным окислителем, т. е. не содержит в себе балластного вещества, не принимающего участия в горении (что имеет место для других двух окислителей), вследствие чего для сгорания того же количества горючего жидкого кислорода требуется по весу меньше, чем других окислителей. Одним из недостатков кислорода является то, что он при обычной температуре, как известно, находится в газообразном состоянии, вследствие чего для сжижения его приходится охлаждать до температуры минус 183 °C и хранить в специальных сосудах, типа дьюаровских, таких, например, какие применяются в термосах. Даже в таких сосудах кислород быстро испаряется, до 5 % в день. Перекись водорода, применявшаяся в качестве окислителя, имела очень высокую концентрацию, до 90 %; производство перекиси такой концентрации сложно и было освоено только в связи с ее применением в качестве окислителя для ЖРД. Концентрированная перекись весьма неустойчива, т. е. разлагается при хранении, которое поэтому становится серьезной задачей — для этой цели применялись различные стабилизирующие присадки. Азотная кислота неудобна тем, что в водных растворах вызывает коррозию многих металлов (обычно она хранится в алюминиевых баках).

В качестве горючих в настоящее время чаще всего применяются погоны нефти — керосин и бензин, а также спирт. Теоретически идеальным горючим является жидкий водород, в особенности с жидким кислородом в качестве окислителя, но его не применяют, так как такое топливо представляет большую опасность и его трудно хранить, а также потому, что жидкий водород имеет очень небольшой удельный вес (он почти в 15 раз легче воды), вследствие чего требует очень больших топливных баков.

В настоящее время наиболее часто применяют в качестве топлива для ЖРД либо керосин или бензин с азотной кислотой, либо спирт с жидким кислородом. Скорость истечения, которую обеспечивают эти топлива в современных двигателях, колеблется в пределах 2000–2500 м/сек, причем топлива с азотной кислотой дают значения, приближающиеся к нижнему из указанных пределов.

Сгорание жидкого водорода в жидком кислороде теоретически дало бы наибольшее значение скорости истечения, равное 3500 м/сек. Однако действительное значение скорости истечения при таком сгорании значительно меньше из-за различных потерь, в частности, из-за так называемой термической диссоциации, т. е. распада продуктов сгорания, который происходит при высокой температуре в камере сгорания и связан с затратой тепла.

В связи с большей калорийностью (теплотворной способностью) жидких топлив по сравнению с порохом скорость истечения газов в ЖРД получается большей, чем в пороховых двигателях, именно 2000–2500 м/сек вместо 1500–2000 м/сек. Для сравнения укажем, что при сгорании бензина в воздухе в современных воздушно-реактивных двигателях скорость истечения продуктов горения не превышает 700–800 м/сек.

Следует отметить, что применяющиеся в настоящее время топлива для ЖРД обладают серьезными недостатками, в первую очередь недостаточной калорийностью, и потому не могут считаться удовлетворительными. Подбор новых, улучшенных топлив — одна из важнейших задач совершенствования ЖРД. Однако более неотложной задачей является разработка таких конструкций ЖРД, которые позволили бы полностью использовать как лучшие из существующих, так и новые, более совершенные, топлива. Важнейшее требование, которое при этом предъявляется двигателю, это надежная работа при очень высоких температурах, развивающихся при сгорании высококалорийных топлив.

Студент Пермского Политеха спроектировал схему ракетного двигателя для космических аппаратов

Студент Пермского Политеха спроектировал новую схему ракетного двигателя на гранулированном твердом топливе. Он может стать частью космического аппарата для очистки орбиты от мусора. Установку также можно использовать в «беспилотниках», которые помогут сориентироваться в режиме чрезвычайной ситуации.

— Одна из особенностей нашего ракетного двигателя – его топливо. Оно представляет собой гранулы, в которых есть и окислитель, и горючее. Поэтому в конструкции не нужны два топливных бака, как в жидкостном двигателе. Компоненты уже смешаны в каждой грануле. «Частицы» топлива ожижаются инертным газом и подаются в камеру сгорания, расход топлива можно регулировать, — рассказывает разработчик проекта, студент аэрокосмического факультета ПНИПУ Андрей Елькин.

Чтобы создать готовый ракетный двигатель, он должен провести огневые испытания на стенде, проработать конструкцию установки с учетом новых данных и разработать образец устройства.

По мнению студента, разработку можно использовать в качестве двигательной установки для беспилотных летательных аппаратов. В экстремальных ситуациях, в случае природных или техногенных катастроф, гражданские «беспилотники» смогут безопасно передвигаться на малых высотах. Это позволит детально увидеть зону бедствия в сильно задымленных областях, поможет найти пострадавших и быстро ликвидировать чрезвычайную ситуацию. 

Пермскую разработку можно применить и в летательных аппаратах для очистки околоземного пространства от космического мусора, считает студент. Количество мусора постоянно растет, и это может спровоцировать его столкновение с активными спутниками и орбитальными станциями. «Встречи» обломков размером более 10 см уже катастрофичны и могут вызвать каскадный процесс столкновений. Еще более мелкие частицы мусора опасны из-за высокой скорости движения по орбите. 

— Ближайший аналог нашего двигателя — установка на металлическом порошкообразном горючем, в которой для сгорания горючего и создания тяги необходимо использовать окислитель – атмосферный воздух. Наша конструкция «собрала» в себе преимущества всех типов ракетных двигателей: жидкостного, газотурбинного и двигателя на твердом топливе, — поясняет студент.  

По сравнению с жидкостным ракетным двигателем, у установки на гранулированном топливе более простая конструкция. Можно регулировать расход топлива и тягу в широком диапазоне, включать и выключать установку. 

Сейчас проект студента находится на стадии проектно-конструкторских работ. Он уже спроектировал стенд огневых испытаний, с помощью которого изучит внутрикамерные процессы ракетного двигателя.


Металл — топливо для ракеты

Металл — топливо для ракеты

«Техника-молодежи» №1-1950

В чем заключается идея применения в качестве го­рючего для реактивного двигателя металлизированных суспензий?
(г. Абокан, Красноярский край, Ананьев)

Известно, что одно из основных качеств, которым должна обладать высотная или космическая ракета, — это способ­ность развивать большие скорости. Известно также, что скорость ракеты зависит от качества топлива.

Плодотворная идея использования в качестве горючего для реактивного двигателя космической ракеты металлов — ве­ществ, обладающих весьма высокой теплотворной способно­стью, — была высказана впервые нашими соотечественниками Ф. А. Цандером и Ю. В. Кондратюком. Достоинства металлов как топлива наглядно показывает таблица:

ГорючееТеплотворная
способность
смеси кал/кг
Теоретическая скорость
истечения продуктов сгорания
м/сек.
Бензин
Водород
Магний
Алюминий
Литий
Бериллий
2 350
3 240
3 600
3 700
4 780
5 430
4 430
5 170
5 500
5 560
6 330
6 750

Однако у металлического топлива есть и огромный недо­статок. Продукты сгорания металлов — частицы окислов — не есть молекулы и потому не могут обладать высокими мо­лекулярными скоростями, как частицы газов. Поэтому окислы металлов не способны служить источником реактивной силы. В чистом виде, следовательно, металлы не годятся как топливо для ракеты. Но если мы будем сжигать в двигателе ракеты обычное жидкое топливо, к которому примешаны частицы металла (суспензии), то мы получим значительный выигрыш. Теплота, развитая твердыми частицами, перейдет к газообразным продуктам горения, и температура газа вслед­ствие этого сильно увеличится; возрастут и скорости истечения продуктов сгорания, а значит, и тяга двигателя станет меньшей. Важным обстоятельством, говорящим в пользу при­менения металлов в качестве топлива, является и то, что в качестве источника металлического топлива можно использо­вать часть конструкций самой ракеты (например, баки для жидкого топлива). При таком решении общий запас горюче­го может составить до 90% от начального веса ракеты.

Исследователи разрабатывают концепцию создания ракетного топлива на Марсе

Самая большая проблема для устойчивого присутствия человека на Марсе или Луне — это доставить достаточно запасов для поддержания жизни людей. Одна из самых больших проблем — доставить достаточно топлива для ракеты, доставляющей экипаж на Марс, и иметь достаточно топлива для обратного полета. Многие ученые считают, что ответ на этот вопрос — собрать некоторые материалы, необходимые для устойчивого присутствия на Красной планете, с самой планеты.

Ученые Технологического института Джорджии разработали новую концепцию, которая позволит производить на Марсе ракетное топливо, которое можно будет использовать для отправки экипажа на Землю после завершения их миссии. Концепция биопроизводства будет использовать ресурсы, которые уже существуют на планете, включая углекислый газ, солнечный свет и замороженную воду. Однако для этого потребуется транспортировка пары микробов на Марс.

Одним из микробов являются цианобактерии (или водоросли), которые будут использоваться для сбора CO2 из атмосферы Марса и в сочетании с солнечным светом для создания сахаров.Для этого процесса также требуется особый тип сконструированных бактерий E. coli для преобразования сахара, созданного водорослями, в топливо для ракет и других устройств. Ракетное топливо, создаваемое в результате этого процесса, представляет собой 2,3-бутандиол, топливо, которое уже существует и может быть создано на Земле. Однако на Земле топливо требуется для производства полимеров для производства резины.

НАСА предложило использовать химический катализатор для преобразования диоксида углерода в жидкий кислород. Тем не менее, эта идея потребовала бы транспортировки метана на Марс вместе с экипажем и другими материалами для миссии.С другой стороны, технологический процесс Джорджии будет использовать ресурсы, уже доступные на Марсе, и может снизить стоимость и сложность миссии.

Еще одним преимуществом процесса было бы получение чистого кислорода, необходимого для постоянного присутствия человека. По словам исследователей, их процесс био-ISRU позволит произвести 44 тонны чистого кислорода для других целей. Исследователи обрисовали в общих чертах процесс, который потребует от НАСА отправки на Марс пластмассовых материалов, из которых можно будет собрать фотобиореакторы размером примерно с четыре футбольных поля. Цианобактерии будут расти внутри реакторов, использующих углекислый газ. Затем цианобактерии расщепляются на сахара, подаваемые E. coli для производства пропеллента. Наконец, пропеллент будет отделен от E. coli с использованием передовых методов разделения.

Основы космического полета: ракетное топливо

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ


Топливо представляет собой химическую смесь, сжигаемую для создания тяги в ракетах, и состоит из топлива и окислителя.Топливо — это вещество, которое горит в сочетании с кислородом, выделяющим газ для приведения в движение. Окислитель — это агент, который выделяет кислород для комбинации с топливом. Отношение окислителя к топливу называется соотношением смеси . Топливо классифицируется по своему состоянию — жидкое, твердое или гибридное.

Шкала эффективности ракетного топлива — удельный импульс , выраженный в секундах. Удельный импульс показывает, сколько фунтов (или килограммов) тяги получается при потреблении одного фунта (или килограмма) топлива за одну секунду.Удельный импульс характерен для типа топлива, однако его точное значение будет в некоторой степени варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и конструкции ракетного двигателя.

Жидкое топливо

В ракете на жидком топливе топливо и окислитель хранятся в отдельных баках и через систему трубопроводов, клапанов и турбонасосов поступают в камеру сгорания, где они объединяются и сжигаются для создания тяги. Двигатели на жидком топливе более сложны, чем их твердотопливные аналоги, однако они обладают рядом преимуществ.Управляя потоком топлива в камеру сгорания, двигатель можно дросселировать, останавливать или перезапускать.

Хорошее жидкое топливо — это топливо с высоким удельным импульсом или, иначе говоря, с высокой скоростью выброса выхлопных газов. Это подразумевает высокую температуру сгорания и выхлопные газы с малой молекулярной массой. Однако есть еще один важный фактор, который необходимо учитывать: плотность топлива. Использование ракетного топлива с низкой плотностью означает, что потребуются резервуары для хранения большего размера, что увеличит массу ракеты-носителя.Температура хранения также важна. Топливо с низкой температурой хранения, то есть криогенное топливо, потребует теплоизоляции, что еще больше увеличит массу пусковой установки. Не менее важна токсичность пропеллента. Угрозы безопасности существуют при обращении, транспортировке и хранении высокотоксичных соединений. Кроме того, некоторые горючие вещества очень едкие; однако материалы, устойчивые к определенным порохам, были определены для использования в ракетостроении.

Жидкое топливо, используемое в ракетной технике, можно разделить на три типа: нефть, криогены и гиперголы.

Нефть топливо — это топливо, полученное из сырой нефти и представляющее собой смесь сложных углеводородов, то есть органических соединений, содержащих только углерод и водород. Нефть, используемая в качестве ракетного топлива, представляет собой керосин высокой степени очистки, который в США называется RP-1. Нефтяное топливо обычно используется в сочетании с жидким кислородом в качестве окислителя. Керосин дает удельный импульс значительно меньше, чем криогенное топливо, но в целом он лучше, чем гиперголическое топливо.

Спецификации для РП-1 были впервые выпущены в США в 1957 году, когда была признана потребность в экологически чистом горючем ракетном топливе. Предыдущие эксперименты с реактивным топливом приводили к образованию смолистых остатков в охлаждающих каналах двигателя и чрезмерного количества сажи, кокса и других отложений в газогенераторе. Даже с новыми техническими условиями двигатели, работающие на керосине, по-прежнему производят достаточно остатков, поэтому срок их службы ограничен.

Жидкий кислород и РП-1 используются в качестве топлива в ускорителях первой ступени ракет-носителей Атлас и Дельта II.Он также приводил в действие первые ступени ракет Saturn 1B и Saturn V.

Криогенное топливо — это сжиженные газы, хранящиеся при очень низких температурах, чаще всего жидкий водород (LH 2 ) в качестве топлива и жидкий кислород (LO 2 или LOX) в качестве окислителя. Водород остается жидким при температурах -253 o C (-423 o F), а кислород остается в жидком состоянии при температурах -183 o C (-297 o F).

Из-за низких температур криогенного топлива их трудно хранить в течение длительного времени. По этой причине они менее желательны для использования в военных ракетах, которые необходимо держать готовыми к запуску в течение нескольких месяцев. Кроме того, жидкий водород имеет очень низкую плотность (0,071 г / мл) и, следовательно, для его хранения требуется во много раз больший объем, чем для других видов топлива. Несмотря на эти недостатки, высокая эффективность жидкого кислорода / жидкого водорода делает эти проблемы достойными решения, когда время реакции и сохраняемость не слишком критичны. Жидкий водород дает удельный импульс примерно на 30-40% выше, чем у большинства других видов ракетного топлива.

Жидкий кислород и жидкий водород используются в качестве топлива в высокоэффективных главных двигателях космического корабля «Шаттл». LOX / LH 2 также приводил в действие верхние ступени ракет Saturn V и Saturn 1B, а также верхнюю ступень Centaur, первую в США ракету LOX / LH 2 (1962).

Еще одно криогенное топливо с желаемыми свойствами для космических силовых установок — жидкий метан (-162 o C).При сжигании жидким кислородом метан имеет более высокие характеристики, чем современные хранимые пропелленты, но без увеличения объема, характерного для систем LOX / LH 2 , что приводит к общей более низкой массе транспортного средства по сравнению с обычными гиперголическими ракетными топливами. LOX / метан также является экологически чистым и нетоксичным. В будущих миссиях на Марс, вероятно, будет использоваться метановое топливо, потому что его можно частично производить из марсианских ресурсов на месте. LOX / метан не имеет истории полетов и очень ограничен в истории наземных испытаний.

Двигатели, работающие на жидком фторе (-188 o C), также были разработаны и успешно запущены. Фтор не только чрезвычайно токсичен; это суперокислитель, который обычно бурно реагирует почти со всем, кроме азота, более легких благородных газов и веществ, которые уже были фторированы. Несмотря на эти недостатки, фтор обеспечивает очень впечатляющие характеристики двигателя. Его также можно смешивать с жидким кислородом для улучшения характеристик двигателей, работающих на LOX; Полученная смесь называется FLOX.Из-за высокой токсичности фтора от него отказались большинство космических держав.

Некоторые фторсодержащие соединения, такие как пентафторид хлора, также рассматривались для использования в качестве «окислителя» в космических приложениях.

Hypergolic пропелленты представляют собой топливо и окислители, которые самовоспламеняются при контакте друг с другом и не требуют источника воспламенения. Возможность легкого запуска и перезапуска гиперголов делает их идеальными для систем маневрирования космических кораблей.Кроме того, поскольку гиперголы остаются жидкими при нормальных температурах, они не создают проблем с хранением криогенного топлива. Гиперголы очень токсичны, и с ними нужно обращаться с особой осторожностью.

Гиперголовые топлива обычно включают гидразин, монометилгидразин (MMH) и несимметричный диметилгидразин (UDMH). Гидразин обладает лучшими характеристиками в качестве ракетного топлива, но он имеет высокую температуру замерзания и слишком нестабилен для использования в качестве охлаждающей жидкости. MMH более стабилен и дает наилучшие характеристики, когда возникает проблема с температурой замерзания, например, в двигателях космических аппаратов.НДМГ имеет самую низкую точку замерзания и достаточную термическую стабильность для использования в больших двигателях с регенеративным охлаждением. Следовательно, UDMH часто используется в ракетах-носителях, хотя он наименее эффективен из производных гидразина. Также обычно используются смешанные топлива, такие как Aerozine 50 (или «50-50»), который представляет собой смесь 50% UDMH и 50% гидразина. Aerozine 50 почти так же стабилен, как UDMH, и обеспечивает лучшую производительность.

Окислителем обычно является четырехокись азота (NTO) или азотная кислота.В Соединенных Штатах наиболее часто используется состав азотной кислоты типа III-A, называемый ингибированной дымящей красным азотной кислотой (IRFNA), который состоит из HNO 3 + 14% N 2 O 4 + 1,5- 2,5% H 2 O + 0,6% HF (добавлен в качестве ингибитора коррозии). Четырехокись азота менее агрессивна, чем азотная кислота, и обеспечивает лучшую производительность, но имеет более высокую температуру замерзания. Следовательно, четырехокись азота обычно является предпочтительным окислителем, когда точка замерзания не является проблемой, однако температуру замерзания можно снизить при введении оксида азота.Образующийся окислитель называется смешанными оксидами азота (МОН). Число, включенное в описание, например MON-3 или MON-25 указывает процентное содержание оксида азота по массе. В то время как чистый четырехокись азота имеет точку замерзания около -9 o C, точка замерзания MON-3 составляет -15 o C, а MON-25 — -55 o C.

Военные спецификации США для IRFNA были впервые опубликованы в 1954 году, а в 1955 году — спецификации UDMH.

Ракеты-носители семейства Titan и вторая ступень ракеты Delta II используют топливо NTO / Aerozine 50.NTO / MMH используется в системе орбитального маневрирования (OMS) и системе управления реакцией (RCS) орбитального корабля Space Shuttle. IRFNA / UDMH часто используется в тактических ракетах, таких как Lance армии США (1972-91).

Гидразин также часто используется в качестве монотоплива в двигателях каталитического разложения . В этих двигателях жидкое топливо разлагается на горячий газ в присутствии катализатора. При разложении гидразина возникают температуры примерно до 1100 o C (2000 o F) и удельный импульс продолжительностью около 230 или 240 секунд. Гидразин разлагается либо на водород и азот, либо на аммиак и азот.

Также использовалось другое топливо , некоторые из которых заслуживают упоминания:

Спирты обычно использовались в качестве топлива в первые годы ракетостроения. Немецкая ракета Фау-2, а также американская ракета Редстоун сжигали LOX и этиловый спирт (этанол), разбавленный водой для снижения температуры камеры сгорания. Однако в качестве более эффективных видов топлива спирты вышли из употребления.

Перекись водорода когда-то привлекала большое внимание как окислитель и использовалась в британской ракете «Черная стрела». В высоких концентрациях перекись водорода называется перекисью высоких концентраций (HTP). По своим характеристикам и плотности HTP близок к азотной кислоте, он гораздо менее токсичен и вызывает коррозию; однако у него плохая температура замерзания и он нестабилен. Хотя ПВТ никогда не применялся в качестве окислителя в больших двухкомпонентных топливах, он нашел широкое применение в качестве монотоплива. В присутствии катализатора HTP разлагается на кислород и перегретый пар и производит удельный импульс длительностью около 150 с.

Закись азота использовалась и как окислитель, и как монотопливо. Он является предпочтительным окислителем для многих конструкций гибридных ракет и часто используется в любительской ракетной технике большой мощности. В присутствии катализатора закись азота будет экзотермически разлагаться на азот и кислород и производить удельный импульс около 170 с.

Твердое топливо

Твердотопливные двигатели — самые простые из всех ракетных конструкций.Они состоят из кожуха, обычно стального, заполненного смесью твердых компонентов (топлива и окислителя), которые сгорают с большой скоростью, выбрасывая горячие газы из сопла для создания тяги. При воспламенении твердое топливо горит от центра к краям кожуха. Форма центрального канала определяет скорость и характер горения, таким образом обеспечивая средства для контроля тяги. В отличие от жидкостных двигателей, твердотопливные двигатели не могут быть остановлены. После воспламенения они будут гореть до тех пор, пока не будет израсходовано все топливо.

Существует два семейства твердого топлива: гомогенное и составное. Оба типа плотны, стабильны при обычных температурах и легко хранятся.

Гомогенные порохы бывают либо простыми, либо двойными. Простое базовое топливо состоит из одного соединения, обычно нитроцеллюлозы, которое обладает как способностью к окислению, так и способностью к восстановлению. Двухосновные пропелленты обычно состоят из нитроцеллюлозы и нитроглицерина, к которым добавлен пластификатор.Однородные порохы обычно не имеют удельных импульсов более 210 секунд при нормальных условиях. Их главным преимуществом является то, что они не производят прослеживаемых паров и поэтому обычно используются в тактическом оружии. Они также часто используются для выполнения вспомогательных функций, таких как удаление отработанных деталей или отделение одной ступени от другой.

Современные композиционные топлива — это гетерогенные порошки (смеси), в которых в качестве окислителя используется кристаллизованная или мелкоизмельченная минеральная соль, часто перхлорат аммония, который составляет от 60% до 90% массы ракетного топлива. Само топливо, как правило, алюминиевое. Пропеллент удерживается вместе полимерным связующим, обычно полиуретаном или полибутадиенами, которое также используется в качестве топлива. Иногда включаются дополнительные соединения, такие как катализатор, помогающий увеличить скорость горения, или другие агенты, облегчающие производство порошка. Конечный продукт представляет собой резиноподобное вещество с консистенцией ластика из твердой резины.

Композитные топлива часто идентифицируются по типу используемого полимерного связующего.Двумя наиболее распространенными связующими являются акрилонитрил полибутадиенакриловой кислоты (PBAN) и полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Составы PBAN дают немного более высокие удельный импульс, плотность и скорость горения, чем эквивалентные составы с использованием HTPB. Однако пропеллент PBAN сложнее смешивать и обрабатывать, и он требует повышенной температуры отверждения. Связующее HTPB прочнее и гибче, чем связующее PBAN. Составы как PBAN, так и HTPB приводят к получению пропеллентов с превосходными эксплуатационными характеристиками, хорошими механическими свойствами и потенциально долгим временем горения.

Твердотопливные двигатели имеют множество применений. Мелкие твердые частицы часто приводят в действие последнюю ступень ракеты-носителя или прикрепляются к полезной нагрузке, чтобы вывести ее на более высокие орбиты. Средние твердые тела, такие как вспомогательный модуль полезной нагрузки (PAM) и инерциальная разгонная ступень (IUS), обеспечивают дополнительный импульс для вывода спутников на геостационарные орбиты или планетарные траектории.

В ракетах-носителях «Титан», «Дельта» и «Спейс шаттл» используются прикрепляемые твердотопливные ракеты для обеспечения дополнительной тяги при взлете.Space Shuttle использует самые большие твердотопливные ракетные двигатели из когда-либо построенных и запущенных. Каждый ускоритель содержит 500 000 кг (1 100 000 фунтов) топлива и может создавать тягу до 14 680 000 Ньютонов (3 300 000 фунтов).

Гибридные топлива

Гибридные топливные двигатели представляют собой промежуточную группу между твердотопливными и жидкостными двигателями. Одно из веществ твердое, обычно топливо, а другое, обычно окислитель, жидкое. Жидкость впрыскивается в твердое тело, топливный резервуар которого также служит камерой сгорания.Основным преимуществом таких двигателей является то, что они имеют высокие характеристики, аналогичные характеристикам твердого топлива, но сгорание можно замедлить, остановить или даже возобновить. Эту концепцию трудно использовать для различных больших тяг, и поэтому гибридные топливные двигатели строятся редко.

Гибридный двигатель, использующий закись азота в качестве жидкого окислителя и резину HTPB в качестве твердого топлива, приводил в действие автомобиль SpaceShipOne , который выиграл премию Ansari X-Prize.


СВОЙСТВА РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Состав Химический
Формула
Молекулярный
Вес
Плотность Точка кипения Точка кислорода 32. 00 1,14 г / мл-218,8 o C -183,0 o C
Жидкий фтор F 2 38,00 1,50 г / мл-219,6 o C -188,1 o C
Тетроксид азота N 2 O 4 92,01 1,45 г / мл -9,3 o C 21,15 o C
Азотная кислота HNO 3 63.01 1,55 г / мл -41,6 o C 83 o C
Перекись водорода H 2 O 2 34,02 1,44 г / мл — 0,4 o C 150,2 o C
Закись азота N 2 O 44,01 1,22 г / мл -90,8 o C -88,5 o C
Пентафторид хлора ClF 5 130. 45 1,9 г / мл-103 o C -13,1 o C
Перхлорат аммония NH 4 ClO 4 117,49 1,95 г / мл 240 o C НЕТ
Жидкий водород H 2 2,016 0,071 г / мл -259,3 o C-252,9 o C
Жидкий метан CH 4 16.04 0,423 г / мл -182,5 o C -161,6 o C
Этиловый спирт C 2 H 5 OH 46,07 0,789 г / мл -114,1 o C 78,2 o C
н-Додекан (керосин) C 12 H 26 170,34 0,749 г / мл -9,6 o C 216,3 o C
RP-1 C n H 1. 953n ≈175 0,820 г / мл НЕТ 177-274 o C
Гидразин N 2 H 4 32,05 1,004 г / мл 1,4 o C 113,5 o C
Метилгидразин CH 3 NHNH 2 46,07 0,866 г / мл -52,4 o C 87,5 o C
Диметилгидразин (CH 3 ) 2 NNH 2 60.10 0,791 г / мл-58 o C 63,9 o C
Алюминий Al 26,98 2,70 г / мл 660,4 o C 2467 o C
Полибутадиен (C 4 H 6 ) n ≈3000 ≈0,93 г / мл НЕТ НЕТ
ПРИМЕЧАНИЯ:
  • По химическому составу керосин представляет собой смесь углеводородов; химический состав зависит от его источника, но обычно он состоит из примерно десяти различных углеводородов, каждый из которых содержит от 10 до 16 атомов углерода на молекулу; компоненты включают н-додекан, алкилбензолы и нафталин и его производные. Керосин обычно представляет собой одно соединение н-додекан.
  • RP-1 — это особый тип керосина, на который распространяется военная спецификация MIL-R-25576. В России аналогичные технические условия были разработаны по техническим условиям Т-1 и РГ-1.
  • Тетраоксид азота и азотная кислота являются гиперголичными по отношению к гидразину, MMH и UDMH. Кислород не является гиперголичным с любым обычно используемым топливом.
  • Перхлорат аммония разлагается, а не плавится при температуре около 240 o C.

  • РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТЫ
    Давление в камере сгорания, P c = 68 атм (1000 PSI) … Давление на выходе из сопла, P e = 1 атм
    Окислитель Топливо Hypergolic Соотношение смеси Удельный импульс
    (с, уровень моря)
    Импульс плотности
    (кг-с / л, SL)
    Жидкий кислород Водород жидкий Нет 5. 00381 124
    Жидкий метан 2,77 299 235
    Этанол + 25% воды 1,29 269 264
    Керосин 2,29 289 294
    Гидразин 0,74 303 321
    MMH 1.15 300 298
    UDMH 1,38 297 286
    50-50 1.06 300 300
    Жидкий фтор Жидкий водород Да 6,00 400 155
    Гидразин Да 1,82 338 432
    FLOX-70 Керосин Есть 3. 80320385
    Тетроксид азота Керосин Нет 3,53 267 330
    Гидразин Да 1,08 286 342
    MMH Да 1,73 280 325
    UDMH Да 2,10 277 316
    50-50 Да 1.59 280 326
    Краснодымящая азотная кислота
    (14% N 2 O 4 )
    Керосин Нет 4,42 256 335
    Гидразин Да 1,28 276 341
    MMH Да 2,13 269 328
    UDMH Есть 2. 60 266 321
    50-50 Да 1,94 270 329
    Перекись водорода
    (концентрация 85%)
    Керосин Нет 7,84 258 324
    Гидразин Да 2,15 269 328
    Закись азота HTPB (твердый) No 6.48 248 290
    Пентафторид хлора Гидразин Да 2,12297 439
    Перхлорат аммония
    (твердый)
    Алюминий + HTPB (a) Нет 2,12 277 474
    Алюминий + PBAN (b) Нет 2,33 277 476
    ПРИМЕЧАНИЯ:
  • Удельные импульсы являются теоретическим максимумом при 100% КПД; реальная производительность будет меньше.
  • Все соотношения смесей являются оптимальными для указанных рабочих давлений, если не указано иное.
  • LO 2 / LH 2 и LF 2 / LH 2 Соотношения смесей выше оптимального для улучшения импульса плотности.
  • FLOX-70 представляет собой смесь 70% жидкого фтора и 30% жидкого кислорода.
  • Где указан керосин, расчеты основаны на н-додекане.
  • Состав твердого топлива (а): 68% AP + 18% Al + 14% HTPB.
  • Состав твердого топлива (b): 70% AP + 16% Al + 12% PBAN + 2% отвердитель эпоксидной смолы.

  • ОТДЕЛЬНЫЕ РАКЕТЫ И ИХ ДВИГАТЕЛЬ
    Ракета Ступень Двигатели Топливо Удельный импульс
    2162 / Centaur 1 NA7 (x2)
    Rocketdyne YLR105-NA7
    P&W RL-10A-3-3 (x2)
    LOX / RP-1
    LOX / RP-1
    LOX / Lh3
    259s sl / 292s vac
    220s sl / 309s Vac
    444s вакуум
    Titan II (1964) 1
    2
    Aerojet LR-87-AJ-5 (x2)
    Aerojet LR-91-AJ-5
    NTO / Aerozine 50
    NTO / Aerozine 50
    259s sl / 285s vac
    312s вакуум
    Saturn V (1967) 1
    2
    3
    Rocketdyne F-1 (x5)
    Rocketdyne J-2 (x5)
    Rocketdyne J-2
    LOX / RP-1
    LOX / Lh3
    LOX / Lh3
    265s sl / 304s Vac
    424s вакуум
    424s вакуум
    Space Shuttle (1981) 0
    1
    OMS
    RCS
    Thiokol SRB (x2)
    Rocketdyne SSME (x3)
    Aerojet OMS (x2)
    Kaiser Marquardt R-40 & R-1E
    PBAN Solid
    LOX / Lh3
    NTO / MMH
    NTO / MMH
    242s sl / 268s vac /
    363s sl Vac
    313s вакуум
    280s вакуум
    Delta II (1989) 0
    1
    2
    Castor 4A (x9)
    Rocketdyne RS-27
    Aerojet AJ10-118K
    HTPB Solid
    LOX / RP-1
    NTO / Aerozine 50
    238s sl / 266s vac
    264s sl / 295s vac
    320s вакуум

    Составлено, отредактировано и частично написано Робертом А. Брауниг, 1996, 2005, 2006, 2008.
    Библиография

    Жидкий водород — лучшее топливо для исследования космоса

    Жидкий водород — лучшее топливо для исследования космоса

    Несмотря на критику и ранние технические неудачи, укрощение жидкого водорода оказалось одним из самых значительных технических достижений НАСА. . . . Водород — легкое и чрезвычайно мощное ракетное топливо — имеет самый низкий молекулярный вес среди всех известных веществ и горит с чрезвычайной интенсивностью (5 500 ° F).В сочетании с окислителем, таким как жидкий кислород, жидкий водород дает наивысший удельный импульс или эффективность по отношению к количеству израсходованного топлива из любого известного ракетного топлива.

    Поскольку жидкий кислород и жидкий водород являются криогенными — газами, которые можно сжижать только при чрезвычайно низких температурах, — они создают огромные технические проблемы. Жидкий водород необходимо хранить при температуре минус 423 ° F и обращаться с ним с особой осторожностью. Чтобы предотвратить его испарение или выкипание, ракеты, работающие на жидком водороде, должны быть тщательно изолированы от всех источников тепла, таких как выхлоп ракетных двигателей и трение воздуха во время полета через атмосферу.Как только аппарат достигнет космоса, его необходимо защитить от лучистого тепла Солнца. Когда жидкий водород поглощает тепло, он быстро расширяется; таким образом, вентиляция необходима для предотвращения взрыва резервуара. Металлы, подвергающиеся воздействию сильного холода жидкого водорода, становятся хрупкими. Более того, жидкий водород может просачиваться через мельчайшие поры в сварных швах. Решение всех этих проблем потребовало огромных технических знаний в области ракетного и авиационного топлива, накопленных более десяти лет назад исследователями из Лаборатории лётных двигателей им. Льюиса Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) в Кливленде.

    Сегодня жидкий водород является основным топливом американской космической программы и используется другими странами для запуска спутников. Помимо Atlas, у Boeing Delta III и Delta IV теперь есть верхние ступени с жидким кислородом и жидким водородом. Эта комбинация ракетного топлива также сжигается в главном двигателе космического корабля «Шаттл». Одной из серьезных задач Европейского космического агентства была разработка в 1970-х годах жидко-водородной ступени для ракеты «Ариан». Советский Союз даже не испытывал разгонный блок на жидком водороде до середины 1980-х годов.Русские сейчас создают семейство ракет-носителей «Ангара» с верхними ступенями на жидком водороде. Отсутствие советской технологии жидкого водорода оказалось серьезным препятствием в гонке двух сверхдержав на Луну4. Укрощение жидкого водорода — одно из значительных технических достижений американской ракетной техники двадцатого века.

    Вышеупомянутый отрывок взят из Введения в «Укрощение жидкого водорода: ракета-носитель« Кентавр », 1958–2002 годы» →. В этом отчете подробно рассказывается, почему «Кентавр» был так важен в истории НАСА как разгонный блок — важнейшее звено между его ускорительной ступенью (Атлас или Титан) и полезной нагрузкой миссии (спутник или космический корабль).

    См. Также Жидкий водород в качестве топлива для двигательных установок, 1945–1959 гг., Подробный отчет Управления истории НАСА о жидком водороде в качестве топлива для двигателей в первые дни космических полетов.

    Как сделать ракетное топливо из Файер Айленд

    Жаждущие ракетного топлива посетители приезжают на Огненный остров, чтобы сделать две вещи: спастись от ужасов Лонг-Айленда, напиться до задницы и выставить себя дураками.

    Эти две группы не исключают друг друга, но сегодня нас интересуют именно те из них.

    Большинство стероидных женоненавистников, посещающих Файер-Айленд в поисках какой-нибудь неряшливой, загорелой задницы, не будут застигнуты мертвыми с «девчачьим» напитком (читай: чем-нибудь замороженным), НО , к счастью, они нашли лазейку в система.

    Введите Ракетное топливо . Ракетное топливо содержит достаточно алкоголя (по крайней мере, теоретически), чтобы убить даже самых опытных пьющих, и достаточно сахара, чтобы на следующий день принести в жертву Фарфоровым богам. Это делает его любимым напитком многих любителей вечеринок. Тем не менее, если вы знали, на что на самом деле вас покупают ваши деньги, вы можете пересмотреть свою покупку напитка.


    Что такое ракетное топливо?

    Так что это за ракетное топливо?

    По сути, это пинья-колада с поплавком Bacardi 151 — ничего особенного (но не рассказывайте об этом мужчинам).

    Мы производили наше ракетное топливо большими партиями, которые включали ананасовый сок, кокосовую пасту, темный ром, амаретто и воду (а также , иногда , немного молока), которое затем разливали в слякотные машины и подавали жаждущим массам, сжигающим деньги отдыхающим. .

    И не забудьте вишневый гарнир.

    Этот носик губит жизнь.

    Каждый бар придумывает свою версию по-своему, но все берут за напиток надбавку — обычно где-то от 12 до 16 долларов (подсказка: это того не стоит). Почему ракетное топливо стало синонимом Огненного острова, я не знаю, но если вы собираетесь посетить Остров Огня, сделайте себе одолжение и сэкономьте свои деньги (на те Короны за 9 долларов и поездки на пароме).


    Рецепт ракетного топлива

    Вот рецепт Ракетного топлива , чтобы вы могли сделать свое собственное ракетное топливо:

    Я называю это «кувшин для вечеринок».

    Смешайте все это, добавьте в свой напиток флотер Bacardi 151 , и вы будете готовы наслаждаться жизнью, как на Файер-Айленде, — пьяным.

    Дополнительную информацию о напитке Fire Island, включая новый улучшенный рецепт, можно найти в Руководстве по ракетному топливу Fire Island.

    Вам тоже понравятся:

    Ракеты на твердом и жидком топливе

    Твердое топливо горит горячим, но все может быть и горячее, а также оно имеет тенденцию производить много относительно крупных частиц (вот почему они выделяют так много дыма при горении).Одно из решений — использовать жидкое топливо и порох. Жидкий водород при горении жидким кислородом горит при температуре около 3000 К, а продуктами горения являются отдельные молекулы воды. Жидкий водород, однако, имеет низкую плотность и поэтому требует больших резервуаров для его хранения, по этой причине керосин (авиационное топливо), сжигаемый в жидком кислороде, часто используется для пусковых установок, которые все еще находятся на низком уровне в атмосфере.

    Анимация твердотопливного двигателя, показывающая простую конструкцию, и единственным элементом управления скоростью горения является структура структуры топлива:

    Преимущества смесей жидкое топливо / окислитель заключаются в том, что тягу можно регулировать (дросселировать) и что двигатели даже можно останавливать и запускать повторно на более позднем этапе.Кроме того, плотность энергии (Джоули на килограмм топлива) имеет тенденцию быть высокой, и что в результате высокой температуры сгорания удельный импульс (импульс [в Ньютон-секундах] на килограмм топлива) очень велик. Современная ракета на твердом топливе имеет удельный импульс примерно до 2500 Н · с · кг -1 , в то время как хорошая ракета на жидком топливе может производить до 4500 Н · с · кг -1 . Обычной практикой является сокращение единиц: на уровне земли один килограмм топлива весит чуть меньше 10 Н, и эти две цифры вычеркиваются.Две приведенные цифры равны 250 с и 450 с.

    Самый большой недостаток жидкого топлива состоит в том, что необходимость в насосах, трубопроводах и раздельном хранении топлива и окислителя означает, что ракета-носитель должна нести дополнительную массу.

    Многие ракеты-носители решают проблемы, используя комбинацию различных ракетных двигателей. И Ariane 5, и космический шаттл получают большую часть своей тяги на малой высоте от твердотопливных ускорителей с очень высокой тягой (но с низким удельным импульсом), а затем используют двигатели с жидким водородом / жидким кислородом с высоким удельным импульсом, но с меньшей тягой на больших высотах и ​​в Космос.Самой большой ракетой, которая когда-либо пролетала за пределами стадии испытаний, была Сатурн-5, которая запускала миссии Аполлона на Луну. При этом использовались двигатели на жидком топливе на всех этапах, но использовались относительно «энергетически плотные» керосин / жидкий кислород на малой высоте и жидкий водород / жидкий кислород на большой высоте и в космосе.

    Нравиться

    Спасибо за лайк

    Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

    Как НАСА будет использовать роботов для создания ракетного топлива из марсианской почвы

    Марсиане: этот рендеринг художника показывает роботов-раскопщиков, которые однажды могут работать на Марсе, задолго до того, как люди когда-либо ступили на эту планету. Иллюстрация: Марек Денко / NoEmotion

    Год — 2038. После 18 месяцев жизни и работы на поверхности Марса команда из шести исследователей садится на транспортную ракету дальнего космоса и отправляется на Землю. Люди не останутся без внимания, но работа продолжается без них: автономные роботы будут продолжать работать на предприятии по добыче полезных ископаемых и химическом синтезе, которое они начали за годы до того, как эта первая миссия с экипажем когда-либо ступила на планету. Завод производит воду, кислород и ракетное топливо, используя местные ресурсы, и будет методично накапливать все необходимые запасы для следующей миссии на Марс, которая должна прибыть через два года.

    Эта фабрика роботов не является научной фантастикой: она разрабатывается совместно несколькими командами из НАСА. Одна из них — это лаборатория Swamp Works в Космическом центре НАСА имени Джона Ф. Кеннеди во Флориде, где я возглавляю группу. Официально она известна как система утилизации ресурсов на месте (ISRU), но нам нравится называть ее фабрикой по производству пыли, потому что она превращает простую пыль в ракетное топливо. Эта технология однажды позволит людям жить и работать на Марсе — и вернуться на Землю, чтобы рассказать историю.

    Но зачем синтезировать материал на Марсе, а не просто отправлять его туда с Земли? НАСА обращается к «проблеме передаточного числа». По некоторым оценкам, чтобы доставить один килограмм топлива с Земли на Марс, сегодняшним ракетам необходимо сжечь 225 килограммов топлива в пути — при запуске на низкую околоземную орбиту, полет к Марсу, замедление для выхода на орбиту Марса и, наконец, замедление. к безопасной посадке на поверхность Марса. Мы начнем с 226 кг и закончим с 1 кг, что составляет передаточное число 226: 1.И соотношение остается неизменным независимо от того, что мы отправляем. Нам потребуется 225 тонн топлива, чтобы отправить тонну воды, тонну кислорода или тонну оборудования. Единственный способ обойти эту суровую арифметику — приготовить воду, кислород и топливо на месте.

    Различные исследовательские и инженерные группы НАСА работали над разными частями этой проблемы. Совсем недавно наша команда Swamp Works начала интегрировать множество отдельных рабочих модулей, чтобы продемонстрировать всю замкнутую систему.Это пока всего лишь прототип, но он показывает все элементы, необходимые для превращения нашей фабрики по производству пыли в реальность. И хотя долгосрочный план направлен на Марс, в качестве промежуточного шага НАСА сосредотачивает свое внимание на Луне. Большая часть оборудования будет сначала опробована и настроена на лунной поверхности, что поможет снизить риск отправки всего оборудования прямо на Марс.

    Грязь или пыль на любом небесном теле обычно называют реголитом. Чаще всего это просто вулканическая порода, которая со временем раздробилась или превратилась в мелкий порошок.На Марсе под слоем ржавых минералов железа, придающих планете знаменитый красноватый оттенок, лежит более толстый слой силикатов с такими названиями, как полевой шпат, пироксен и оливин, которые состоят из кремниевых и кислородных структур, связанных с металлами, такими как железо. алюминий и магний.

    Добывать этот материал сложно, потому что его плотность и плотность варьируются от места к месту на Марсе. Но что еще больше усложняет задачу, так это низкая гравитация планеты, из-за которой трудно протолкнуть лопату в землю, не используя свой вес для противодействия этой силе.На Земле, когда мы копаем землю, мы часто используем большие транспортные средства, потому что их тяжелые тела соответствующим образом реагируют на силы гораздо меньшего ковша. Но помните о проблеме передаточного числа: каждая унция, которую мы отправляем на Марс, драгоценна и очень дорога. Поэтому нам пришлось найти способ копать на поверхности Марса, используя очень легкое оборудование.

    Space Digger: НАСА разрабатывает роботизированный экскаватор с двумя противоположными ковшовыми барабанами, которые могут опускаться и вращаться в противоположных направлениях.Такой подход сводит на нет большую часть усилий копания, позволяя роботу работать в условиях низкой гравитации. Фото: Глен Бенсон / НАСА

    Введите RASSOR или Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot, автономную горнодобывающую машину, разработанную для одной конкретной цели: копать или выкапывать реголит в условиях низкой гравитации. При разработке RASSOR — произносится как «бритва» — инженеры НАСА особое внимание уделили системе его срабатывания. Приводы роботов состоят из двигателей, редукторов и других механизмов, которые в конечном итоге составляют большой процент от конечной массы системы.В нашей конструкции мы использовали безрамные двигатели, электромагнитные тормоза и титановые корпуса, напечатанные на 3D-принтере, среди прочего, чтобы минимизировать вес и объем. Эти усилия окупились: наша конструкция составляет примерно половину массы существующих актуаторов с аналогичными характеристиками.

    Для копания RASSOR использует два противоположных ковшовых барабана, каждый из которых оснащен несколькими маленькими зубчатыми совками. Когда ковшовые барабаны RASSOR вращаются и удерживающие их рычаги опускаются вниз, они собирают небольшое количество реголита в каждый ковш, когда он медленно движется вперед.Это создает неглубокую канавку, а не глубокую яму. Эти вращающиеся и копающие ковшовые барабаны полые внутри, что позволяет им собирать и удерживать выкопанный реголит. Еще одна ключевая особенность RASSOR заключается в том, что во время копания барабаны ковша фактически вращаются в противоположных направлениях. Это сводит на нет большую часть усилий копания и позволяет RASSOR производить выемку в условиях низкой силы тяжести.

    Как только RASSOR наполняет свои ковшовые барабаны, он поднимает руки и едет к перерабатывающему предприятию.Чтобы выгрузить реголит, робот просто вращает барабаны в обратном направлении, и реголит выливается из тех же маленьких совков, в которые он вошел. Другой элемент оборудования, роботизированный подъемник бункера, выполняет следующую задачу. Он поднимает груз реголита на площадку фабрики и переносит его в печь, которая герметизируется и начинает нагреваться. Любые молекулы воды, прикрепленные к реголиту, отгоняются нагнетателем сухого газа, а затем собираются с помощью конденсационной трубки, известной как холодный палец.

    Вы можете спросить: «А разве реголит на Марсе не сухой до костей?» Ответ … это сложно.В основном это зависит от того, где вы копаете и как глубоко копаете. В некоторых областях Марса, кажется, есть почти сплошные пласты водяного льда всего в нескольких футах от поверхности. В более низких широтах встречаются гипсовые песчаные дюны, состоящие примерно на 8 процентов из воды.

    После удаления воды реголит сбрасывается на землю, так что робот RASSOR может зачерпнуть его и утащить. Эти «отходы» можно использовать для строительства защитных сооружений или даже дорог и посадочных площадок, используя методы 3D-печати, которые сейчас разрабатываются в НАСА.

    Все иллюстрации: Джеймс Прово

    Вся вода , извлекаемая из реголита, затем очищается. В модуле очистки используется многоступенчатая система фильтрации с несколькими слоями деионизации.

    Вода не только для питья; это также ключевой ингредиент ракетного топлива. Разделив молекулы H 2 O с помощью электролизера на молекулы газообразного водорода (H 2 ) и молекулы газообразного кислорода (O 2 ), а затем сжав и сжижая оба этих газа по отдельности, мы можем синтезировать топливо и окислитель, который чаще всего используется в жидкостных ракетных двигателях.

    Проблема в том, что жидкий водород должен храниться при крайне низких температурах. Вот почему НАСА планирует превратить водород в вид топлива, которое намного проще хранить: метан (CH 4 ). Вы можете получить его, соединив водород с углеродом. Но где взять углерод на Марсе?

    К счастью, на Марсе много углерода. Атмосфера Марса на 96 процентов состоит из молекул углекислого газа. Улавливание этого углерода — задача морозильника для двуокиси углерода; он в основном делает сухой лед из воздуха.

    После того, как мы собрали газообразный водород из электролизера и диоксид углерода из атмосферы, мы можем объединить их в газообразный метан благодаря химическому процессу, называемому реакцией Сабатье. Специальный реактор, проектируемый НАСА, создает давление и температуру, необходимые для поддержания этой реакции и превращения водорода и углекислого газа в газообразный метан с водой в качестве побочного продукта.

    Следующее оборудование на нашем заводе — это роботизированный шлангокабель для перекачки жидкостей во внешний резервуар.Что необычно в этой системе, так это то, что ее шлангокабель специально разработан для защиты от пыли. Пыль реголита очень мелкая и проникает во все. А поскольку реголит состоит из измельченной вулканической породы, он очень абразивный и довольно тяжелый для оборудования. (Полеты НАСА на Луну показали, что реголит является причиной множества проблем, включая ложные показания приборов, засорение механизмов, отказы уплотнений и сбои терморегулирования.) Поэтому крайне важно держать его подальше от шлангокабелей, электрических и жидкостных разъемов, а также любой чувствительной электроники.

    Fill It Up: автор, Курт В. Лейхт, программирует роботизированную руку для подключения пыленепроницаемого шлангокабеля к мобильному роботу-цистерне. Шлангокабель предназначен для заполнения баков робота жидким топливом, водой и кислородом. Фотографии: Глен Бенсон / НАСА

    На каждой стороне шлангокабеля есть дверцы, которые действуют как воздушный шлюз, чтобы не пропускать пыль. Выполнение соединения требует трех отдельных шагов: первый включает в себя сжатие закрытых дверок с каждой стороны вместе, так что специальное уплотнение по периметру создает пылезащитный барьер вокруг обоих наборов шлангокабелей.На втором этапе дверцы по обеим сторонам шлангокабеля открываются внутрь пылезащитного уплотнения, обнажая фактические разъемы, которые установлены на подвижной пластине. Заключительный этап включает в себя перемещение пластин вместе и физическое соединение всех силовых, электрических и гидравлических разъемов.

    Роботизированная рука на борту завода по производству ракетного топлива поднимет шлангокабель и опускает его на мобильный робот-цистерну, который затем соединяет и выгружает конечные продукты. В этом отношении система обработки поверхности очень похожа на заправочную станцию ​​здесь, на Земле, но вместо бензина она может подавать воду.Или жидкий кислород. Или жидкий метан. Или все три!

    Мы недавно продемонстрировали этот завод ISRU в лаборатории Swamp Works во Флориде. На этом этапе нам пришлось смоделировать печь и электролизер, чтобы снизить стоимость и сложность. Мы также смоделировали три различных конечных продукта, используя воду для всех трех. Но для всех остальных мы использовали работающие прототипы оборудования и программного обеспечения.

    Объединив эти подсистемы, мы исследовали некоторые проблемы и сбои в процессе и извлекли несколько важных уроков, которые мы бы извлекли гораздо позже, если бы интеграцию нашей системы выполняли только в конце процесса разработки и тестирования.Это один из основных принципов Swamp Works: быстрое прототипирование и ранняя интеграция, позволяющие быстро проверить концепцию и ранние отказы.

    Идея этой марсианской фабрики по производству ракетного топлива заключается в том, что все это будет упаковано в аккуратную маленькую коробку, отправлено на Марс, развернуто и запущено на поверхность Марса задолго до прибытия людей-исследователей. Человеческие миссии на Марс будут зависеть от того, что эта фабрика будет автономно производить и хранить топливо для их обратного полета еще до того, как эти астронавты отправятся с Земли.В НАСА также есть команды, которые выясняют, как выращивать всевозможные продукты во время транзита и на Марсе. В том числе картофель.

    Итак, что должно произойти между моментом и потом? Ну, довольно много.

    НАСА имеет многолетний опыт работы с автономными посадочными модулями и независимыми марсоходами, работающими на поверхности Марса. И наши самые последние марсоходы — Curiosity, который приземлился в 2012 году, и марсоход Mars 2020, который будет запущен в 2020 году, — действительно обладают определенной автономностью. уровень автономии, который потребуется от такой системы, выведет вещи на совершенно новый уровень.

    тонны пыли: для тестирования своих роботов-экскаваторов НАСА использует закрытый объект с более чем 100 метрическими тоннами измельченной вулканической породы. Материал служит аналогом очень мелких и абразивных частиц грязи, обнаруженных на поверхности Марса. Фото: Глен Бенсон / НАСА

    А пока существует множество технических проблем, которые нам необходимо преодолеть, прежде чем такая миссия станет успешной. Один из наиболее важных вопросов заключается в том, может ли каждая подсистема нашей нынешней системы обработки поверхности Марса масштабироваться для удовлетворения потребностей и пропускной способности, необходимых для полета человека на Марс.Согласно недавним исследованиям НАСА, такая система должна будет производить около 7 метрических тонн жидкого метана и около 22 метрических тонн жидкого кислорода примерно за 16 месяцев. Затем мы должны определить, где сажать и копать, чтобы увеличить урожай, сколько экскаваторов RASSOR нам понадобится и сколько часов в день они должны будут работать. Мы также должны решить, насколько большими должны быть морозильная камера для диоксида углерода и реактор Сабатье и сколько энергии потребуется для всего этого оборудования.

    Более того, нам нужно предвидеть проблемы, выявляя потенциальные единичные отказы, которые могут прервать миссию по обработке поверхности и, таким образом, задержать последующую запланированную миссию человека.Нам нужно будет оценить вероятность каждого из этих сбоев, чтобы добавить в систему нужное количество дублирования и избыточности.

    Чтобы гарантировать, что роботизированные технологии могут поддерживать эту миссию в течение многих лет без обслуживания или ремонта, мы должны разработать их по очень строгим спецификациям. Все движущиеся части должны быть защищены от этих крошечных разрушительных частиц пыли реголита. Либо усовершенствование технологий уплотнения, либо усиление движущихся частей для защиты от пыли добавит сложности и веса, если мы не сможем найти какой-то гениальный способ решения проблемы.

    Нам также необходимо выяснить, насколько плотная или твердая смесь реголита и льда находится под поверхностью Марса, и затем соответствующим образом спроектировать землеройные орудия. Современные ковши и зубья нашего робота-экскаватора RASSOR лучше всего работают с уплотненным реголитом, смешанным с кусками льда. Но такая конструкция не подходит для раскалывания больших пластов твердого льда. Нам потребуются окончательные доказательства состава льда и реголита под поверхностью Марса, чтобы разработать наиболее подходящее и наиболее эффективное землеройное оборудование.Либо так, либо нам придется разработать более сложные и надежные инструменты, которые могут работать с почвой различной плотности и плотности льда.

    И нам необходимо решить задачи длительного хранения сверххолодных жидкостей. Технологии и материалы для сосудов высокого давления и изоляции постоянно совершенствуются, но будут ли современные технологии работать на поверхности Марса в течение длительного времени?

    В течение следующих нескольких лет НАСА изучит все эти проблемы. И мы продолжим увеличивать возможности и уровень готовности всех компонентов нашего прототипа.Мы сделаем робота «РАССОР» сильнее и легче и протестируем его в марсианских условиях. Мы продолжим тестирование и интеграцию печи и электролизера, а также попытаемся расширить морозильную камеру для диоксида углерода и реактор Сабатье, чтобы убедиться, что они могут удовлетворить потребности марсианской миссии с экипажем. Вся эта работа и многое другое будет продолжаться, так что однажды наш прототип, работающий от пыли и тяги, может стать полностью работоспособной системой на Марсе.

    Эта статья опубликована в печатном выпуске за ноябрь 2018 г. как «От пыли к толчку.”

    Из чего сделано ракетное топливо?

    Посмотрев запуск ракеты, вы можете задаться вопросом , из чего же состоит ракетное топливо ? На самом деле в ракетах используется два вида топлива. Топливо можно разделить на жидкое топливо и твердое топливо.

    В твердом топливе должно быть и топливо, и окислитель, чтобы ракета на твердом топливе начала работать. Окислитель — это химическое вещество, необходимое для сгорания топлива. Поскольку в космосе нет атмосферы, ракеты должны нести как собственное топливо, так и собственные окислители.Наиболее распространенным топливом твердотопливных ракет является алюминий. Чтобы заставить алюминий гореть, эти твердотопливные ракеты используют перхлорат аммония в качестве окислителя или для того, чтобы заставить алюминий гореть. Чтобы работать вместе, алюминий и перхлорат аммония удерживаются вместе другим соединением, называемым связующим. При смешивании топливо имеет слегка эластичную консистенцию. Это эластичное вещество затем упаковывают в оболочку. Когда топливо горит, тепло и энергия заставляют внутреннюю часть ракеты нагреваться.Водяные пары и газы затем вылетают из ракеты, заставляя ракету толкать или толкать ее вверх в небо. Вы обнаружите, что многие ускорители, а не главные двигатели ракет используют твердое топливо. Это потому, что это топливо недолговечно и очень быстро сгорает.

    Главные двигатели, скорее всего, будут приводиться в движение жидким топливом. Двигатели на жидком топливе состоят из жидкого кислорода и жидкого водорода. Жидкий водород — это топливо, а жидкий кислород — окислитель. Помните, окислитель помогает горючему сгорать.Водород должен быть в жидкой, а не в газовой форме, чтобы на ракете был меньший резервуар. Газы легкие, поэтому для хранения газообразного водорода потребуется резервуар большего размера, чем для жидкого водорода. Жидкий водород и кислород попадают в двигатель, где они начинают объединяться, образуя воду. Как и твердое топливо, водяной пар создает энергию и пар. Пар выпускается, чтобы ракета взлетела вверх.

    Чтобы запустить ракету с земли в космос, ракетам необходимо как твердое, так и жидкое топливо.Можно подумать, что ракеты могут нести просто жидкое топливо, потому что жидкое топливо более эффективно и дает больше толчка при сгорании. Однако наличие только жидкого топлива потребует огромного бака топлива. Вместо этого ракеты отрываются от земли за счет твердого топлива. Ускорители сбрасывают с ракеты, чтобы сделать ее легче, а затем сжигают жидкое топливо, чтобы ракета продолжала двигаться вверх в космосе.

    Таким образом, ракетное топливо можно разделить на твердое или жидкое топливо.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2019 © Все права защищены. Карта сайта