Топливо (или пропеллент ) — это масса , которая выталкивается или расширяется таким образом, чтобы создать тягу или другую движущую силу в соответствии с третьим законом движения Ньютона и «приводить в движение» транспортное средство, снаряд или жидкую полезную нагрузку. В транспортных средствах двигатель , который выталкивает топливо, называется реактивным двигателем . Хотя технически топливо — это реактивная масса, используемая для создания тяги, термин «топливо» часто используется для описания вещества, которое содержит как реактивную массу, так и топливо, которое удерживает энергию, используемую для ускорения реактивной массы. Например, термин «топливо» часто используется в конструкции химических ракет для описания комбинированного топлива/топлива, хотя топливо не следует путать с топливом , которое используется двигателем для производства энергии, которая выталкивает топливо. Несмотря на то, что побочные продукты веществ, используемых в качестве топлива, также часто используются в качестве реактивной массы для создания тяги, например, в химическом ракетном двигателе, топливо и топливо — это два разных понятия.
Транспортные средства могут использовать пропелленты для движения, выбрасывая пропеллент назад, что создает противоположную силу, которая двигает транспортное средство вперед. Снаряды могут использовать пропелленты, которые расширяются в виде газов, которые обеспечивают движущую силу для приведения снаряда в движение. Аэрозольные баллончики используют пропелленты, которые являются жидкостями, которые сжимаются таким образом, что когда пропеллент высвобождается путем открытия клапана, энергия, накопленная сжатием, выталкивает пропеллент из баллончика, и этот пропеллент выталкивает аэрозольный груз вместе с пропеллентом. Сжатая жидкость также может использоваться в качестве простого пропеллента транспортного средства, при этом потенциальная энергия, которая хранится в сжатой жидкости, используется для выталкивания жидкости в качестве пропеллента. Энергия, накопленная в жидкости, была добавлена в систему, когда жидкость была сжата, например, сжатый воздух . Энергия, применяемая к насосу или тепловой системе, которая используется для сжатия воздуха, сохраняется до тех пор, пока она не будет высвобождена путем выпуска пропеллента. Сжатая жидкость может также использоваться только в качестве накопителя энергии вместе с каким-либо другим веществом в качестве топлива, например, в водяной ракете , где энергия, хранящаяся в сжатом воздухе, является топливом, а вода — топливом.
В электрическом космическом аппарате электричество используется для ускорения топлива. Электростатическая сила может использоваться для выталкивания положительных ионов, или сила Лоренца может использоваться для выталкивания отрицательных ионов и электронов в качестве топлива. Электротермические двигатели используют электромагнитную силу для нагрева низкомолекулярных газов (например, водорода, гелия, аммиака) в плазму и выталкивания плазмы в качестве топлива. В случае резистивного ракетного двигателя сжатое топливо просто нагревается с помощью резистивного нагрева по мере его выталкивания для создания большей тяги.
В химических ракетах и самолетах топливо используется для получения энергетического газа, который может быть направлен через сопло , тем самым создавая тягу. В ракетах сжигание ракетного топлива производит выхлоп, и выхлопной материал обычно выбрасывается в качестве топлива под давлением через сопло . Выхлопной материал может быть газом , жидкостью , плазмой или твердым веществом . В самолетах с двигателем без пропеллеров, таких как реактивные самолеты , топливо обычно является продуктом 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. Несмотря на то, что фотоны не имеют массы, они все равно могут действовать как топливо, поскольку движутся с релятивистской скоростью, т. е. со скоростью света. В этом случае третий закон движения Ньютона неадекватен для моделирования задействованной физики, и необходимо использовать релятивистскую физику .
В химических ракетах химические реакции используются для получения энергии , которая создает движение жидкости , которая используется для выталкивания продуктов этой химической реакции (а иногда и других веществ) в качестве топлива. Например, в простом водородно-кислородном двигателе водород сжигается (окисляется) для создания H2O , а энергия химической реакции используется для выталкивания воды (пара) для обеспечения тяги. Часто в химических ракетных двигателях в топливо включают вещество с более высокой молекулярной массой для обеспечения большей реакционной массы.
Ракетное топливо может выбрасываться через расширительное сопло в виде холодного газа, то есть без энергичного смешивания и сгорания, для обеспечения небольших изменений скорости космического корабля с помощью двигателей на холодном газе , обычно в качестве маневровых двигателей.
Для достижения удобной для хранения плотности большинство видов топлива хранятся 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 химическом ракетном проектировании для описания комбинированного топлива/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 химическом ракетном двигателе, топливо и топливо — это два разных понятия.
В электрическом космическом аппарате электричество используется для ускорения топлива. Электростатическая сила может использоваться для выталкивания положительных ионов, или сила Лоренца может использоваться для выталкивания отрицательных ионов и электронов в качестве топлива. Электротермические двигатели используют электромагнитную силу для нагрева низкомолекулярных газов (например, водорода, гелия, аммиака) в плазму и выталкивания плазмы в качестве топлива. В случае резистивного ракетного двигателя сжатое топливо просто нагревается с помощью резистивного нагрева по мере его выталкивания для создания большей тяги.
В химических ракетах и самолетах топливо используется для получения энергетического газа, который может быть направлен через сопло , тем самым создавая тягу. В ракетах сжигание ракетного топлива производит выхлоп, и выхлопной материал обычно выбрасывается в качестве топлива под давлением через сопло . Выхлопной материал может быть газом , жидкостью , плазмой или твердым веществом . В самолетах с двигателем без пропеллеров, таких как реактивные самолеты , топливо обычно является продуктом сгорания топлива с атмосферным кислородом, так что полученный продукт топлива имеет большую массу, чем топливо, перевозимое на транспортном средстве.
Пропеллент или топливо также могут быть просто сжатой жидкостью, при этом потенциальная энергия, которая хранится в сжатой жидкости, используется для выталкивания жидкости в качестве пропеллента. Энергия, хранящаяся в жидкости, была добавлена в систему, когда жидкость была сжата, например, сжатый воздух . Энергия, применяемая к насосу или тепловой системе, которая используется для сжатия воздуха, хранится до тех пор, пока она не будет высвобождена, позволяя пропелленту вырваться. Сжатая жидкость также может использоваться только в качестве накопителя энергии вместе с каким-либо другим веществом в качестве пропеллента, например, с водяной ракетой , где энергия, хранящаяся в сжатом воздухе, является топливом, а вода является пропеллентом.
Предлагаемые фотонные ракеты будут использовать релятивистский импульс фотонов для создания тяги. Несмотря на то, что фотоны не имеют массы, они все равно могут действовать как топливо, поскольку движутся с релятивистской скоростью, т. е. со скоростью света. В этом случае третий закон движения Ньютона неадекватен для моделирования задействованной физики, и необходимо использовать релятивистскую физику .
В химических ракетах химические реакции используются для получения энергии , которая создает движение жидкости , которая используется для выталкивания продуктов этой химической реакции (а иногда и других веществ) в качестве топлива. Например, в простом водородно-кислородном двигателе водород сжигается (окисляется) для создания H2O , а энергия химической реакции используется для выталкивания воды (пара) для обеспечения тяги. Часто в химических ракетных двигателях в топливо включают вещество с более высокой молекулярной массой для обеспечения большей реакционной массы.
Ракетное топливо может выбрасываться через расширительное сопло в виде холодного газа, то есть без энергичного смешивания и сгорания, для обеспечения небольших изменений скорости космического корабля с помощью двигателей на холодном газе , обычно в качестве маневровых двигателей.
Для достижения удобной для хранения плотности большинство видов топлива хранятся либо в твердом, либо в жидком виде.
Пропелленты могут быть активированы химическими реакциями для выталкивания твердого тела, жидкости или газа. Электрическая энергия может быть использована для выталкивания газов, плазмы, ионов, твердых тел или жидкостей. Фотоны могут быть использованы для обеспечения тяги посредством релятивистского импульса.
Топливо, которое взрывается при работе, в настоящее время имеет мало практического применения, хотя были проведены эксперименты с импульсными детонационными двигателями . Также недавно синтезированные соединения на основе бис-гомокубана находятся на стадии исследования в качестве как твердого, так и жидкого топлива будущего. [1] [2]
Твердое топливо/топливо используется в форме, называемой зернами . Зерно — это любая отдельная частица топлива/топлива независимо от размера или формы. Форма и размер зерна определяют время горения, количество газа и скорость вырабатываемой энергии при сжигании топлива и, как следствие, профиль тяги по времени.
Существует три типа обжига, которые можно получить с помощью разного зерна.
Существует четыре различных типа составов твердого топлива/ракеты:
В ракетах используются три основные комбинации жидких двухкомпонентных топлив: криогенный кислород и водород, криогенный кислород и углеводород, а также топливо длительного хранения. [3]
В состав жидкостных ракетных двигателей входят следующие виды топлива :
К распространенным монотопливам, используемым в жидкостных ракетных двигателях, относятся:
Реактивные двигатели с электроприводом используют в качестве топлива различные, обычно ионизированные, виды топлива, включая атомарные ионы, плазму, электроны или мелкие капли или твердые частицы.
Если ускорение вызвано в основном силой Кулона (т.е. приложением статического электрического поля в направлении ускорения), устройство считается электростатическим. Типы электростатических приводов и их двигатели:
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. Низкомолекулярные газы (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными топливами для такого рода систем. [6]
Электромагнитные двигатели используют в качестве топлива ионы, которые ускоряются силой Лоренца или магнитными полями, которые генерируются электричеством:
Ядерные реакции могут использоваться для получения энергии для выброса топлива. Многие типы ядерных реакторов использовались/предлагались для производства электроэнергии для электрического движения, как описано выше. Ядерное импульсное движение использует серию ядерных взрывов для создания большого количества энергии для выброса 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.
Сжатые жидкие или сжатые газовые пропелленты сжимаются физически, компрессором, а не химической реакцией. Давления и плотности энергии, которые могут быть достигнуты, хотя и недостаточны для высокопроизводительной ракетной техники и огнестрельного оружия, достаточны для большинства применений, в этом случае сжатые жидкости предлагают более простой, безопасный и практичный источник давления пропеллента.
Сжатое жидкое топливо может быть просто сжатым газом или веществом, которое является газом 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 использован немедленно. Кроме того, ручной насос для сжатия воздуха может быть использован из-за его простоты в низкотехнологичных приложениях, таких как распылители , растительные распылители и водные ракеты . Простейшими примерами такой системы являются бутылки-сдавливатели для таких жидкостей, как кетчуп и шампунь.
Однако сжатые газы нецелесообразно использовать в качестве хранимого топлива, если они не сжижаются внутри контейнера для хранения, поскольку для хранения значительного количества газа требуется очень высокое давление, а баллоны с газом высокого давления и регуляторы давления дороги и тяжелы.
Сжиженные газовые пропелленты являются газами при атмосферном давлении, но становятся жидкими при умеренном давлении. Это давление достаточно высокое, чтобы обеспечить полезное движение полезной нагрузки (например, аэрозольной краски, дезодоранта, смазки), но достаточно низкое, чтобы хранить их в недорогой металлической банке и не представлять опасности в случае разрыва банки.
Смесь жидкого и газообразного топлива внутри баллона поддерживает постоянное давление, называемое давлением паров жидкости . По мере истощения полезной нагрузки топливо испаряется, заполняя внутренний объем баллона. Жидкости обычно в 500-1000 раз плотнее соответствующих им газов при атмосферном давлении; даже при более высоком давлении внутри баллона только небольшая часть его объема должна быть топливом, чтобы вытолкнуть полезную нагрузку и заменить ее паром.
Испарение жидкого топлива в газ требует некоторой энергии, энтальпии 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 паров, но более высокой энтальпией испарения, чем у топлива).
Хлорфторуглероды (ХФУ) когда-то часто использовались в качестве пропеллентов, [7] но с тех пор, как Монреальский протокол вступил в силу в 1989 году, они были заменены почти в каждой стране из-за негативного воздействия ХФУ на озоновый слой Земли . Наиболее распространенными заменителями ХФУ являются смеси летучих углеводородов , как правило, пропана , н- бутана и изобутана . [8] Также используются диметиловый эфир (ДМЭ) и метилэтиловый эфир . Все они имеют недостаток в том, что они воспламеняемы . Закись азота и диоксид углерода также используются в качестве пропеллентов для доставки продуктов питания (например, взбитых сливок и кулинарного спрея ). Лекарственные аэрозоли, такие как ингаляторы от астмы, используют гидрофторалканы (ГФА): либо ГФА 134а (1,1,1,2,-тетрафторэтан), либо ГФА 227 (1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан), либо их комбинации. В последнее время жидкие гидрофторолефиновые (ГФО) пропелленты стали более широко применяться в аэрозольных системах из-за их относительно низкого давления паров, низкого потенциала глобального потепления (ПГП) и негорючести. [9]
Практичность сжиженных газовых пропеллентов позволяет использовать широкий спектр полезных нагрузок. Аэрозольные спреи , в которых жидкость выбрасывается в виде спрея, включают краски, смазочные материалы, обезжириватели и защитные покрытия; дезодоранты и другие средства личной гигиены; кулинарные масла. Некоторые жидкие полезные нагрузки не распыляются из-за более низкого давления пропеллента и/или вязкой полезной нагрузки, как в случае со взбитыми сливками и кремом для бритья или гелем для бритья. Маломощное оружие, такое как BB-пистолеты , пейнтбольные ружья и страйкбольные ружья, имеют твердые снаряды полезных нагрузок. Уникально, что в случае газового распылителя («сжатый воздух») единственной полезной нагрузкой является скорость самих паров пропеллента.
Наиболее эффективная комбинация топлива и окислителя, обычно используемая сегодня для химических жидкостных ракет, — это водород (топливо) и кислород (окислитель)», — продолжил Коутс. Эти два элемента относительно просты и легко горят при смешивании, и, что еще лучше, результатом их реакции является простая вода.
Очищенная нефть не является самым эффективным топливом для создания тяги для ракет, но то, чего ему не хватает в создании тяги, оно компенсирует плотностью. Требуется меньший объем RP-1, чтобы придать ту же силу тяги транспортному средству, а меньший объем эквивалентен уменьшенному размеру ступени. ... Меньшая ступень ускорителя означает гораздо меньшее аэродинамическое сопротивление, когда транспортное средство поднимается с уровня моря и ускоряется через более плотную (толстую) часть атмосферы около земли. Результатом меньшей ступени ускорителя является то, что она обеспечивает более эффективный подъем через самую толстую часть атмосферы, что помогает улучшить чистую массу, поднимаемую на орбиту.
, что химические соединения фреона в бытовых холодильниках, системах охлаждения воздуха и в качестве
носителя
ДДТ
в аэрозольных
бомбах для борьбы с насекомыми
более эффективны при тушении пожаров, чем углекислый газ.
