Монотопливо [1] - это пропелленты, состоящие из химикатов, которые выделяют энергию в результате экзотермического химического разложения. Энергия молекулярной связи монотоплива обычно высвобождается за счет использования катализатора. Этому можно противопоставить двухкомпонентные топлива, которые выделяют энергию в результате химической реакции между окислителем и топливом. Будучи стабильными при определенных условиях хранения, монотопливы очень быстро разлагаются при определенных других условиях с образованием большого объема собственных энергетических (горячих) газов для выполнения механической работы. Хотя твердые дефлагранты, такие как нитроцеллюлоза, наиболее часто используемое метательное топливо в огнестрельном оружии, можно рассматривать как одноразовое топливо, в технической литературе этот термин обычно используется для обозначения жидкостей. [ необходима цитата ]
Использует
Наиболее распространенное использование однокомпонентных топлив [2] в условиях низких импульсного однокомпонентного топлива ракетных двигателей , [3] , такие как контроль реакции движители , обычный пропеллент быть гидразином [4] [5] , который , как правило , разлагается под воздействием на иридий [6] [7] слой катализатора (гидразин предварительно нагревают, чтобы реагент оставался жидким). Это разложение создает желаемую струю горячего газа и, следовательно, тягу . Перекись водорода [8] использовалась в качестве источника энергии для насосов топливных баков в таких ракетах, как немецкий V-2 Второй мировой войны и американский Redstone . [9] перекись водорода пропускают через платиновый катализатор сетка, [8] или вступает в контакте с диоксидом марганца , пропитанные керамические шарики, или Z-Стофф перманганатом раствор совместно инъецирует, который вызывает перекись водорода разлагается в горячий пар и кислород .
Монотопливо также используется в некоторых воздушно-независимых силовых установках (AIP) для «заправки» поршневых или газотурбинных двигателей в средах, где свободный кислород недоступен. Оружие, предназначенное в первую очередь для боя между атомными подводными лодками, обычно попадает в эту категорию. Наиболее часто используемым пропеллентом в этом случае является стабилизированный динитрат пропиленгликоля ( PGDN ), часто называемый « топливом Отто ». Потенциальное будущее использование монотоплива, не связанного напрямую с движением, - это компактные высокоинтенсивные силовые установки для водных или внеатмосферных сред.
Коротко об исследовании
В 1950-х и 1960-х годах в США была проделана большая работа по поиску более эффективных и более энергоемких монотопливных топлив. По большей части исследователи пришли к выводу, что любое отдельное вещество, которое содержит достаточно энергии, чтобы конкурировать с двухкомпонентным топливом, будет слишком нестабильным для безопасного обращения в практических условиях. С новыми материалами, системами управления и требованиями к высокопроизводительным двигателям инженеры в настоящее время [ когда? ] пересматривая это предположение. [ необходима цитата ]
Многие частично нитрованные сложные эфиры спирта подходят для использования в качестве одноразового топлива. «Триметиленгликоль динитрат» или 1,3-пропандиол динитрат изомерный с PGDN , и получают в качестве побочного продукта фракционного во всех , кроме самых требовательных лабораторных условий; незначительно более низкий удельный вес (и, следовательно, плотность энергии ) этого соединения свидетельствует против его использования, но небольшие различия в химии могут оказаться полезными в будущем. [ необходима цитата ]
Родственный «динитродигликоль», более точно называемый динитратом диэтиленгликоля в современных обозначениях, широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, как отдельно в качестве жидкого монотоплива, так и в коллоидном виде с нитроцеллюлозой в качестве твердого топлива. В остальном желательные характеристики этого соединения; он довольно стабилен, прост в изготовлении и имеет очень высокую плотность энергии; омрачены высокой температурой замерзания (-11,5 ° C) и значительным тепловым расширением, что проблематично для космических аппаратов. «Динитрохлоргидрин» и «тетранитродиглицерин» также являются вероятными кандидатами, хотя в настоящее время их использование неизвестно. Полинитраты длинноцепочечных и ароматических углеводородов неизменно являются твердыми веществами при комнатной температуре, но многие из них в больших количествах растворимы в простых спиртах или простых эфирах и могут быть полезны в этом состоянии. [ необходима цитата ]
Гидразин , [5] [10] оксид этилена , [11] пероксид водорода (особенно в его немецкой форме времен Второй мировой войны как T-Stoff ), [12] и нитрометан [13] являются обычными ракетными монотопливами. Как уже отмечалось, удельный импульс монотоплива ниже [2] [14], чем у двухкомпонентного топлива, и его можно определить с помощью инструмента «Код удельного импульса химического равновесия ВВС». [15]
Одно из новых видов топлива, находящихся в стадии разработки, - это закись азота , как в чистом виде, так и в виде топливных смесей закиси азота . Закись азота обладает преимуществами самонагнетания и относительно нетоксичности, со специфическим промежуточным импульсом между перекисью водорода и гидразином. [16] Закись азота выделяет кислород при разложении, и его можно смешивать с топливом для образования смеси монотоплива с удельным импульсом до 325 с, что сравнимо с гиперголическими бипропеллентами . [17]
Прямое сравнение физических свойств, характеристик, стоимости, сохраняемости, токсичности, требований к хранению и мер по случайному выбросу перекиси водорода, нитрата гидроксиламмония (HAN), гидразина и различных монотопливных газов холодного газа показывает, что гидразин является наиболее эффективным с точки зрения удельного импульса. Однако гидразин также самый дорогой и токсичный. Кроме того, HAN и перекись водорода имеют импульс наивысшей плотности (общий импульс на данную единицу объема). [18]
Смотрите также
- Монотопливная ракета
- Топливная смесь закиси азота
- Миссия по введению зеленого топлива
Рекомендации
- ^ Сибил П. Паркер (2003). Словарь научных и технических терминов МакГроу-Хилла (6 изд.). Макгроу-Хилл. п. 1370. ISBN 978-0-07-042313-8.
Ракетное топливо, состоящее из одного вещества, особенно жидкости, способно создавать ракетную тягу без добавления второго вещества.
- ^ а б Корпорация РЭНД (1959). «Горючие вещества». В Хоргане, MJ; Палматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (Ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее приложения (Технический отчет). Типография правительства США. С. 42–46. 86.
- ^ «Ресурсы» . Rocket Motor Components, Inc. Архивировано из оригинала на 14 января 2012 года.
- ^ [1] Архивировано 28 сентября 2009 года в Wayback Machine.
- ^ а б Саттон 1992 , стр. 230
- ^ «Двухкомпонентный двигатель Aerojet устанавливает новый рекорд производительности» . Aerojet Rocketdyne. 8 декабря 2008 . Проверено 13 июля 2014 года .
- ^ Sutton 1992 , стр. 307-309
- ^ а б Корпорация РЭНД (1959). «Двигательные установки». В Хоргане, MJ; Палматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (Ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее приложения (Технический отчет). Типография правительства США. С. 31–41. 86.
- ^ Саттон 1992 , гл. 7.
- ^ "Монотопливные гидразиновые двигатели" . EADS Astrium. Архивировано из оригинального 27 марта 2010 года.
- ^ "ethylene_oxide.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 марта 2012 года.
- ^ "h2o2.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 марта 2012 года.
- ^ "nitromethane.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 марта 2012 года.
- Перейти ↑ Sutton 1992 , p. 36
- ^ Данн, Брюс П. (2001). «Программа удельных импульсов ракетных двигателей» . Данн Инжиниринг. Архивировано из оригинального 20 октября 2013 года .
- ^ Закиров, Вадим; Свитинг, Мартин; Лоуренс, Тимоти; Продавцы, Джерри (2001). «Закись азота как ракетное топливо». Acta Astronautica . 48 (5–12): 353–362. Bibcode : 2001AcAau..48..353Z . DOI : 10.1016 / S0094-5765 (01) 00047-9 .
- ^ Морринг, Фрэнк младший (21 мая 2012 г.). "SpaceX доставит на МКС испытательный стенд" зеленого движения " . Неделя авиации и космической техники . Проверено 13 июля 2014 года .
- ^ Вернимонт, Эрик (2006). «Сравнение параметров системы торговли монотоплива: перекись водорода против гидразина и других» (PDF) . 42-я совместная конференция и выставка по двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE . DOI : 10.2514 / 6.2006-5236 .
Внешние ссылки
- Саттон, Джордж П. (1992) [1949]. Элементы силовой установки ракеты (6-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-52938-9.
- В автобиографии есть целая глава по истории разработки монотоплива.
Джон Д. Кларк (1972). Зажигание! Неофициальная история жидкого ракетного топлива (PDF) . ISBN 0-8135-0725-1.
- Книга Роджера Форда «Секретное оружие Германии во Второй мировой войне» ( ISBN 0-7603-0847-0 c.2000) содержит некоторую полезную информацию об удивительном разнообразии топлива и ракетного топлива, используемых в Германии военного времени.
- « Химия пороха и взрывчатых веществ » Тенни Л. Дэвиса - выдающийся, хотя и устаревший источник информации по очень многим аспектам высокоэнтальпийных соединений. (Эта работа первоначально была опубликована MIT Press в 1943 году в качестве учебника. Перепубликация субсидии в 1995 году компанией Pyrotek Inc., любителем ракетной техники. В этом издании нет данных каталога. Текущий статус публикации неизвестен).
- Документ конференции 1999 года об историческом использовании перекиси водорода ракетного качества, включая применение монотоплива