Топливо (или ракетное топливо ) — это масса , которая выбрасывается или расширяется таким образом, чтобы создать тягу или другую движущую силу в соответствии с третьим законом движения Ньютона и « привести в движение» транспортное средство, снаряд или жидкую полезную нагрузку. В транспортных средствах двигатель, выбрасывающий топливо, называется реактивным двигателем . Хотя технически топливо — это реакционная масса, используемая для создания тяги, термин «топливо» часто используется для описания вещества, которое содержит как реакционную массу, так и топливо, удерживающее энергию, используемую для ускорения реакционной массы. Например, термин «топливо» часто используется в конструкции химических ракет для описания комбинированного топлива и топлива, хотя топливо не следует путать с топливом , которое используется двигателем для производства энергии, выбрасывающей топливо. Несмотря на то, что побочные продукты веществ, используемых в качестве топлива, также часто используются в качестве реакционной массы для создания тяги, например, в химических ракетных двигателях, топливо и топливо — это два разных понятия.
Транспортные средства могут использовать топливо для движения, выбрасывая топливо назад, что создает противоположную силу, которая перемещает транспортное средство вперед. В снарядах может использоваться порох, представляющий собой расширяющиеся газы, которые создают движущую силу, приводящую снаряд в движение. В аэрозольных баллончиках используются пропелленты, которые представляют собой жидкости, которые сжимаются так, что, когда пропелленту позволяют выйти путем открытия клапана, энергия, накопленная в результате сжатия, выталкивает пропеллент из баллона, и этот пропеллент выталкивает аэрозольную полезную нагрузку вместе с пропеллентом. Сжатую жидкость также можно использовать в качестве простого топлива для транспортных средств, при этом потенциальная энергия, запасенная в сжатой жидкости, используется для вытеснения жидкости в качестве топлива. Энергия, запасенная в жидкости, добавлялась в систему при сжатии жидкости, например сжатого воздуха . Энергия, подаваемая на насос или тепловую систему, которая используется для сжатия воздуха, сохраняется до тех пор, пока она не будет высвобождена, позволяя вытеснителю выйти наружу. Сжатую жидкость также можно использовать только в качестве накопителя энергии вместе с каким-либо другим веществом в качестве топлива, например, в водяной ракете , где энергия, запасенная в сжатом воздухе, является топливом, а вода — топливом.
В космических кораблях с электрическим приводом электричество используется для ускорения топлива. Электростатическая сила может использоваться для изгнания положительных ионов или сила Лоренца может использоваться для изгнания отрицательных ионов и электронов в качестве топлива. Электротермические двигатели используют электромагнитную силу для нагрева газов с низкой молекулярной массой (например, водорода, гелия, аммиака) в плазму и вытеснения плазмы в качестве топлива. В случае резистивного ракетного двигателя сжатое топливо просто нагревается с помощью резистивного нагрева при его выбрасывании для создания большей тяги.
В химических ракетах и самолетах топливо используется для производства энергичного газа, который можно направить через сопло , создавая тем самым тягу. В ракетах при горении ракетного топлива образуются выхлопы, а отработанный материал обычно выбрасывается в виде топлива под давлением через сопло . Выхлопной материал может быть газом , жидкостью , плазмой или твердым веществом . В самолетах с двигателем без винтов, таких как реактивные двигатели , топливо обычно представляет собой продукт сгорания топлива с атмосферным кислородом, так что полученный продукт топлива имеет большую массу, чем топливо, перевозимое на транспортном средстве.
Предлагаемые фотонные ракеты будут использовать релятивистский импульс фотонов для создания тяги. Хотя фотоны не имеют массы, они все равно могут действовать как топливо, поскольку движутся с релятивистской скоростью, то есть со скоростью света. В этом случае третий закон движения Ньютона недостаточен для моделирования задействованной физики, и необходимо использовать релятивистскую физику .
В химических ракетах химические реакции используются для производства энергии , которая создает движение жидкости , которая используется для вытеснения продуктов этой химической реакции (а иногда и других веществ) в качестве топлива. Например, в простом водородно-кислородном двигателе водород сжигается (окисляется) с образованием H 2 O , а энергия химической реакции используется для вытеснения воды (пара) для создания тяги. Часто в химических ракетных двигателях в топливо добавляют вещество с более высокой молекулярной массой, чтобы обеспечить большую реакционную массу.
Ракетное топливо может выбрасываться через расширительное сопло в виде холодного газа, то есть без энергичного смешивания и сгорания, чтобы обеспечить небольшие изменения скорости космического корабля за счет использования двигателей с холодным газом , обычно в качестве маневровых двигателей.
Чтобы достичь полезной для хранения плотности, большинство порохов хранят либо в твердом, либо в жидком виде.
Ракетное топливо — это масса , которая выбрасывается из транспортного средства, например ракеты, таким образом, чтобы создать тягу в соответствии с третьим законом движения Ньютона и «продвинуть» транспортное средство вперед. Двигатель, который выбрасывает топливо, называется реактивным двигателем . Хотя термин «топливо» часто используется в химической конструкции ракет для описания комбинированного топлива и топлива, топливо не следует путать с топливом , которое используется двигателем для производства энергии, выбрасывающей топливо. Несмотря на то, что побочные продукты веществ, используемых в качестве топлива, также часто используются в качестве реакционной массы для создания тяги, например, в химических ракетных двигателях, топливо и топливо — это два разных понятия.
В космических кораблях с электрическим приводом электричество используется для ускорения топлива. Электростатическая сила может использоваться для изгнания положительных ионов или сила Лоренца может использоваться для изгнания отрицательных ионов и электронов в качестве топлива. Электротермические двигатели используют электромагнитную силу для нагрева газов с низкой молекулярной массой (например, водорода, гелия, аммиака) в плазму и вытеснения плазмы в качестве топлива. В случае резистивного ракетного двигателя сжатое топливо просто нагревается с помощью резистивного нагрева при его выбрасывании для создания большей тяги.
В химических ракетах и самолетах топливо используется для производства энергичного газа, который можно направить через сопло , создавая тем самым тягу. В ракетах при горении ракетного топлива образуются выхлопы, а отработанный материал обычно выбрасывается в виде топлива под давлением через сопло . Выхлопной материал может быть газом , жидкостью , плазмой или твердым веществом . В самолетах с двигателем без винтов, таких как реактивные двигатели , топливо обычно представляет собой продукт сгорания топлива с атмосферным кислородом, так что полученный продукт топлива имеет большую массу, чем топливо, перевозимое на транспортном средстве.
Вытеснитель или топливо также может быть просто сжатой жидкостью, при этом потенциальная энергия, запасенная в сжатой жидкости, используется для вытеснения жидкости в качестве топлива. Энергия, запасенная в жидкости, добавлялась в систему при сжатии жидкости, например сжатого воздуха . Энергия, подаваемая на насос или тепловую систему, которая используется для сжатия воздуха, сохраняется до тех пор, пока она не будет высвобождена, позволяя вытеснителю выйти наружу. Сжатую жидкость также можно использовать только в качестве накопителя энергии вместе с каким-либо другим веществом в качестве топлива, например, в водяной ракете , где энергия, запасенная в сжатом воздухе, является топливом, а вода — топливом.
Предлагаемые фотонные ракеты будут использовать релятивистский импульс фотонов для создания тяги. Хотя фотоны не имеют массы, они все равно могут действовать как топливо, поскольку движутся с релятивистской скоростью, то есть со скоростью света. В этом случае третий закон движения Ньютона недостаточен для моделирования задействованной физики, и необходимо использовать релятивистскую физику .
В химических ракетах химические реакции используются для производства энергии , которая создает движение жидкости , которая используется для вытеснения продуктов этой химической реакции (а иногда и других веществ) в качестве топлива. Например, в простом водородно-кислородном двигателе водород сжигается (окисляется) с образованием H 2 O , а энергия химической реакции используется для вытеснения воды (пара) для создания тяги. Часто в химических ракетных двигателях в топливо добавляют вещество с более высокой молекулярной массой, чтобы обеспечить большую реакционную массу.
Ракетное топливо может выбрасываться через расширительное сопло в виде холодного газа, то есть без энергичного смешивания и сгорания, чтобы обеспечить небольшие изменения скорости космического корабля за счет использования двигателей с холодным газом , обычно в качестве маневровых двигателей.
Чтобы достичь полезной для хранения плотности, большинство порохов хранят либо в твердом, либо в жидком виде.
Ракетное топливо может активироваться в результате химических реакций с вытеснением твердого вещества, жидкости или газа. Электрическая энергия может использоваться для изгнания газов, плазмы, ионов, твердых веществ или жидкостей. Фотоны могут использоваться для создания тяги за счет релятивистского импульса.
Пороха, которые взрываются при работе, в настоящее время не имеют практического применения, хотя проводились эксперименты с импульсно-детонационными двигателями . Кроме того, на стадии исследований рассматриваются недавно синтезированные соединения на основе бишомокубана в качестве как твердого, так и жидкого топлива будущего. [1] [2]
Твердое топливо/топливо используются в формах, называемых зернами . Зерно — это любая отдельная частица топлива/горючего независимо от размера и формы. Форма и размер зерна определяют время горения, количество газа и скорость производства энергии при сгорании топлива и, как следствие, зависимость тяги от времени.
Существует три типа ожогов, которых можно добиться разными зернами.
Существует четыре различных типа композиций твердого топлива/ракетного топлива:
В ракетах используются три основные комбинации жидкого двухкомпонентного топлива: криогенный кислород и водород, криогенный кислород и углеводород и хранимое топливо. [3]
Комбинации топлива, используемые для жидкостных ракет , включают:
Обычное монотопливо, используемое в жидкостных ракетных двигателях , включает:
В реактивных двигателях с электрическим приводом в качестве топлива обычно используется множество обычно ионизированных топлив, включая атомарные ионы, плазму, электроны или небольшие капли или твердые частицы.
Если ускорение вызвано главным образом кулоновской силой (т.е. приложением статического электрического поля в направлении ускорения), устройство считается электростатическим. Типы электростатических приводов и их движущие силы:
Это двигатели, которые используют электромагнитные поля для генерации плазмы , которая используется в качестве топлива. Они используют сопло для направления заряженного топлива. Само сопло может состоять просто из магнитного поля. Газы с низкой молекулярной массой (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными пропеллентами для систем такого типа. [6]
В электромагнитных двигателях в качестве топлива используются ионы, которые ускоряются силой Лоренца или магнитными полями, любое из которых генерируется электричеством:
Ядерные реакции могут использоваться для производства энергии для выбрасывания топлива. Многие типы ядерных реакторов использовались/предлагались для производства электроэнергии для электродвижения, как указано выше. Ядерно-импульсная двигательная установка использует серию ядерных взрывов для создания большого количества энергии для вытеснения продуктов ядерной реакции в качестве топлива. Ядерные тепловые ракеты используют тепло ядерной реакции для нагрева топлива. Обычно топливом является водород, поскольку сила является функцией энергии независимо от массы топлива, поэтому самое легкое топливо (водород) производит наибольший удельный импульс .
Фотонный реактивный двигатель использует фотоны в качестве топлива и их дискретную релятивистскую энергию для создания тяги.
Сжатая жидкость или сжатый газ- вытеснитель находятся под давлением физически, с помощью компрессора, а не в результате химической реакции. Давление и плотность энергии, которых можно достичь, хотя и недостаточны для высокопроизводительной ракетной техники и огнестрельного оружия, но достаточны для большинства применений, и в этом случае сжатые жидкости предлагают более простой, безопасный и практичный источник давления пороха.
Сжатый жидкий вытеснитель может представлять собой просто газ под давлением или вещество, которое представляет собой газ при атмосферном давлении, но хранится под давлением в виде жидкости.
В приложениях, в которых используется большое количество пропеллента, таких как мойка под давлением и аэрография , воздух может быть сжат компрессором и немедленно использован. Кроме того, ручной насос для сжатия воздуха из-за его простоты может использоваться в низкотехнологичных устройствах, таких как распылители , распылители растений и водные ракеты . Простейшими примерами такой системы являются бутылочки для таких жидкостей, как кетчуп и шампунь.
Однако сжатые газы непрактичны в качестве хранимого топлива, если они не сжижаются внутри контейнера для хранения, поскольку для хранения любого значительного количества газа требуется очень высокое давление, а газовые баллоны высокого давления и регуляторы давления дороги и тяжелы.
Сжиженные газы-вытеснители представляют собой газы при атмосферном давлении, но становятся жидкими при умеренном давлении. Это давление достаточно велико, чтобы обеспечить полезное движение полезного груза (например, аэрозольной краски, дезодоранта, смазки), но достаточно низкое, чтобы хранить его в недорогой металлической банке и не представлять угрозы безопасности в случае разрыва банки.
Смесь жидкости и газообразного топлива внутри баллона поддерживает постоянное давление, называемое давлением паров жидкости . По мере того, как полезная нагрузка исчерпывается, топливо испаряется и заполняет внутренний объем баллончика. Жидкости обычно в 500–1000 раз плотнее соответствующих газов при атмосферном давлении; даже при более высоком давлении внутри баллона только небольшая часть его объема должна быть топливом, чтобы выбросить полезную нагрузку и заменить ее паром.
Для испарения жидкого топлива в газ требуется некоторая энергия, энтальпия испарения , которая охлаждает систему. Обычно это незначительно, хотя иногда может быть нежелательным эффектом интенсивного использования (по мере охлаждения системы давление паров топлива падает). Однако в случае замораживающего спрея это охлаждение способствует желаемому эффекту (хотя замораживающие спреи могут также содержать другие компоненты, такие как хлорэтан , с более низким давлением пара, но более высокой энтальпией испарения, чем топливо).
Хлорфторуглероды (ХФУ) когда-то часто использовались в качестве топлива,[18] но с момента вступления в силу Монреальского протокола в 1989 году они были заменены почти во всех странах из-за негативного воздействия ХФУ на озоновый слой Земли. Наиболее распространенной заменой ХФУ являются смеси летучих углеводородов, обычно пропана, н-бутана и изобутана.[19] Также используются диметиловый эфир (ДМЭ) и метилэтиловый эфир. Все они имеют тот недостаток, что являются легковоспламеняющимися. Закись азота и углекислый газ также используются в качестве пропеллентов при доставке пищевых продуктов (например, взбитых сливок и кулинарных спреев). В медицинских аэрозолях, таких как ингаляторы от астмы, используются гидрофторалканы (HFA): либо HFA 134a (1,1,1,2-тетрафторэтан), либо HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан), либо их комбинации. два. Совсем недавно жидкие гидрофторолефиновые пропелленты (ГФО) стали более широко применяться в аэрозольных системах из-за их относительно низкого давления паров, низкого потенциала глобального потепления (ПГП) и негорючести.[20]
Практичность топлива на сжиженном газе позволяет использовать широкий спектр полезной нагрузки. Аэрозольные распылители , в которых жидкость выбрасывается в виде распылителя, включают краски, смазочные материалы, обезжириватели и защитные покрытия; дезодоранты и другие средства личной гигиены; кулинарные масла. Некоторые жидкие грузы не распыляются из-за более низкого давления топлива и/или вязкости полезного груза, например, взбитые сливки , крем для бритья или гель для бритья. Оружие малой мощности, такое как пневматическое оружие , пейнтбольное оружие и оружие для страйкбола , имеет прочную полезную нагрузку. Уникально то, что в случае газового распылителя («консервированный воздух») единственной полезной нагрузкой является скорость самих паров топлива.
Наиболее эффективной комбинацией топлива и окислителя, обычно используемой сегодня для ракет на жидкой химии, является водород (топливо) и кислород (окислитель)», — продолжает Коутс. Эти два элемента относительно просты и легко горят при соединении — и, что еще лучше, в результате их реакция - простая вода.
Неочищенная нефть — не самое эффективное топливо для ракет, создающее тягу, но недостаток тяги она компенсирует плотностью.
Для передачи той же силы тяги на транспортное средство требуется меньший объем RP-1, а меньший объем соответствует уменьшению размера ступени.
... Меньшая ступень ускорителя означает гораздо меньшее аэродинамическое сопротивление, когда аппарат отрывается от уровня моря и ускоряется через более плотную (более толстую) часть атмосферы вблизи Земли.
В результате меньшей ступени ускорителя она позволяет более эффективно подниматься через самую плотную часть атмосферы, что помогает улучшить чистую массу, поднимаемую на орбиту.
