stringtranslate.com

Монотопливо

Монотопливо [1] — это топливо, состоящее из химических веществ, которые выделяют энергию посредством экзотермического химического разложения. Энергия молекулярной связи монотоплива обычно выделяется посредством использования катализатора. Это можно противопоставить двухкомпонентному топливу, которое выделяет энергию посредством химической реакции между окислителем и топливом. Будучи стабильными при определенных условиях хранения, монотопливо очень быстро разлагается при определенных других условиях, производя большой объем собственных энергетических (горячих) газов для выполнения механической работы . Хотя твердые дефлагранты, такие как нитроцеллюлоза , наиболее часто используемое топливо в огнестрельном оружии, можно рассматривать как монотопливо, этот термин обычно зарезервирован для жидкостей в инженерной литературе. [2]

Использует

Наиболее распространенное использование монотоплив [3] — в низкоимпульсных монотопливных ракетных двигателях [4] , таких как реактивные двигатели , обычным топливом является гидразин [5] [6] , который обычно разлагается под воздействием слоя иридиевого [7] [8] катализатора (гидразин предварительно нагревается, чтобы поддерживать реагент в жидком состоянии). Это разложение производит желаемую струю горячего газа и, таким образом, тягу . Перекись водорода [9] использовалась в качестве источника энергии для насосов топливных баков в ракетах, таких как немецкая V-2 времен Второй мировой войны и американская Redstone . [10] Перекись водорода пропускается через сетку платинового катализатора [9] или вступает в контакт с керамическими шариками, пропитанными диоксидом марганца , или совместно впрыскивается раствор перманганата Z-Stoff , что заставляет перекись водорода разлагаться на горячий пар и кислород.

Монотопливо также используется в некоторых воздухонезависимых двигательных установках (AIP) для «заправки» поршневых или турбинных 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 топливом в этом случае является стабилизированный пропиленгликоль динитрат ( PGDN ), часто называемый « топливом Отто ». Потенциальное будущее использование монотоплива, не связанное напрямую с движением, — это компактные, высокоинтенсивные силовые установки для водных или внеатмосферных сред.

Краткое исследование

В 1950-х и 1960-х годах в США была проделана большая работа по поиску лучших и более энергетических монотоплив. По большей части исследователи пришли к выводу, что любое вещество, содержащее достаточно энергии, чтобы конкурировать с двухкомпонентными топливами, будет слишком нестабильным для безопасного обращения с ним в практических условиях. С новыми материалами, системами управления и требованиями к высокопроизводительным двигателям инженеры в настоящее время [ когда? ] пересматривают это предположение. [ необходима цитата ]

Многие частично нитрированные эфиры спиртов подходят для использования в качестве монопропеллентов. «Триметиленгликольдинитрат» или 1,3-пропандиолдинитрат изомерен с PGDN и производится как фракционный побочный продукт во всех, кроме самых строгих лабораторных условиях; незначительно более низкий удельный вес (и, следовательно, плотность энергии ) этого соединения говорит против его использования, но незначительные различия в химии могут оказаться полезными в будущем. [ необходима цитата ]

Родственный «динитродигликоль», более правильно называемый диэтиленгликольдинитратом в современной нотации, широко использовался в Германии во время Второй мировой войны, как в чистом виде в качестве жидкого монотоплива, так и в коллоидном виде с нитроцеллюлозой в качестве твердого топлива. В остальном желательные характеристики этого соединения; оно довольно стабильно, легко в производстве и имеет очень высокую плотность энергии; омрачаются высокой температурой замерзания (-11,5 °C) и выраженным тепловым расширением, что является проблематичным для космических аппаратов. «Динитрохлоргидрин» и «тетранитродиглицерин» также являются вероятными кандидатами, хотя в настоящее время их применение неизвестно. Полинитраты длинноцепочечных и ароматических углеводородов неизменно являются твердыми веществами при комнатной температуре, но многие из них растворяются в простых спиртах или эфирах в высокой пропорции и могут быть полезны в этом состоянии. [ необходима цитата ]

Гидразин , [6] [11] оксид этилена , [12] перекись водорода (особенно в немецкой форме времен Второй мировой войны как T-Stoff ), [13] и нитрометан [14] являются распространенными ракетными монотопливами. Как уже отмечалось, удельный импульс монотоплив ниже [3] [15], чем у битоплив, и его можно найти с помощью инструмента Air Force Chemical Equilibrium Specific Impulse Code. [16]

Одним из новых разрабатываемых монотопливных веществ является закись азота , как в чистом виде, так и в виде топливных смесей закиси азота . Закись азота обладает преимуществами самосжимаемости и относительной нетоксичности, с удельным импульсом, промежуточным между перекисью водорода и гидразином. [17] Закись азота при разложении генерирует кислород, и ее можно смешивать с топливом для образования монотопливной смеси с удельным импульсом до 325 с, что сопоставимо с гиперголическими двухкомпонентными топливами . [18] В 2018 году был изобретен новый катализатор из драгоценных металлов для использования с закисью азота - оксид родия на сферах из оксида алюминия, - который более стабилен при более высоких температурах, чем чистый родий или иридий. [19]

Прямое сравнение физических свойств, производительности, стоимости, сохраняемости, токсичности, требований к хранению и мер по предотвращению случайных выбросов для перекиси водорода, нитрата гидроксиламмония (HAN), гидразина и различных монотоплив холодного газа показывает, что гидразин является наиболее эффективным с точки зрения удельного импульса. Однако гидразин также является самым дорогим и токсичным. Кроме того, HAN и перекись водорода имеют самую высокую плотность импульса (общий импульс на единицу объема). [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Сибил П. Паркер (2003). Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill (6-е изд.). McGraw-Hill. стр. 1370. ISBN 978-0-07-042313-8. Ракетное топливо, состоящее из одного вещества, в частности жидкости, способное создавать ракетную тягу без добавления второго вещества.
  2. ^ Вере, Рэй (1985). Технология авиационного топлива. Macmillan Education UK. стр. 223. ISBN 978-1-349-06904-0.
  3. ^ ab RAND Corporation (1959). «Пропелленты». В Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (ред.). Космический справочник: астронавтика и ее применение (технический отчет). Издательство правительства США. стр. 42–46. 86.
  4. ^ "Ресурсы". Rocket Motor Components, Inc. Архивировано из оригинала 14 января 2012 г.
  5. ^ [1] Архивировано 28 сентября 2009 г. на Wayback Machine.
  6. ^ ab Sutton 1992, стр. 230
  7. ^ "Aerojet Bipropellant Engine Sets New Performance Record". Aerojet Rocketdyne. 8 декабря 2008 г. Архивировано из оригинала 7 марта 2017 г. Получено 13 июля 2014 г.
  8. ^ Саттон 1992, стр. 307—309
  9. ^ ab RAND Corporation (1959). «Двигательные системы». В Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (ред.). Космический справочник: астронавтика и ее применение (технический отчет). Издательство правительства США. стр. 31–41. 86.
  10. ↑ Саттон 1992, гл. 7.
  11. ^ "Монотопливные гидразиновые двигатели". EADS Astrium. Архивировано из оригинала 27 марта 2010 г.
  12. ^ "ethylene_oxide.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.
  13. ^ "h2o2.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 года.
  14. ^ "нитрометан.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.
  15. ^ Саттон 1992, стр. 36
  16. ^ Данн, Брюс П. (2001). «Программа удельного импульса ракетного двигателя». Dunn Engineering. Архивировано из оригинала 20 октября 2013 г.
  17. ^ Закиров, Вадим; Свитинг, Мартин; Лоуренс, Тимоти; Селлерс, 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.
  18. ^ Морринг, Фрэнк-младший (21 мая 2012 г.). «SpaceX поставит испытательный стенд экологичного двигателя на МКС». Aviation Week and Space Technology . Получено 13 июля 2014 г.
  19. ^ "Катализаторы". American Elements . Получено 2024-01-05 .
  20. ^ Вернимонт, Эрик (2006). «Сравнение параметров системной торговли монотоплив: перекись водорода против гидразина и других» (PDF) . 42-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по движению . doi :10.2514/6.2006-5236. ISBN 978-1-62410-038-3.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Монотопливо» .