Монотопливо - Monopropellant

Монотопливо[1] находятся пропелленты состоит из химических веществ, которые выделяют энергию в результате экзотермического химического разложения. Энергия молекулярной связи монотопливного топлива обычно высвобождается за счет использования катализатора. Этому можно противопоставить двухкомпонентное топливо, которое выделяет энергию в результате химической реакции между окислителем и топливом. Будучи стабильными при определенных условиях хранения, монотопливы очень быстро разлагаются при некоторых других условиях с образованием большого объема энергетических (горячих) газов для выполнения механической работы. Хотя твердый дефлагранты такие как нитроцеллюлоза, наиболее часто используемое метательное топливо в огнестрельном оружии, можно рассматривать как монотопливо, в технической литературе этот термин обычно используется для обозначения жидкостей.[нужна цитата ]

Использует

Наиболее частое использование монотоплива[2] в низком импульсе монотопливо ракетные двигатели,[3] такие как двигатели управления реакцией, обычное топливо гидразин[4][5] который обычно разлагается при воздействии иридий[6][7] катализатор слой (гидразин предварительно нагревается, чтобы реагент оставался жидким). Это разложение дает желаемую струю горячего газа и, таким образом, толчок. Пероксид водорода[8] использовался в качестве источника энергии для насосов топливного бака в ракетах, таких как немецкая Вторая мировая война V-2 и американский Редстоун.[9] В пероксид водорода проходит через платина катализатор сетка[8] или вступает в контакт с диоксид марганца керамические шарики, пропитанные, или Z-Stoff перманганат раствор вводится совместно, что вызывает разложение перекиси водорода на горячий пар и кислород.

Монотопливы также используются в некоторых воздушно-независимая силовая установка систем (AIP) для «топлива» поршневого или турбина двигатели в среде, где свободный кислород недоступен. Оружие, предназначенное в первую очередь для борьбы между ядерными подводные лодки вообще попадают в эту категорию. Наиболее часто используемым порохом в этом случае является стабилизированный динитрат пропиленгликоля (PGDN ), часто называемый "Отто топливо ". Возможное будущее использование монотоплива, не имеющего прямого отношения к движению, - это компактные высокоинтенсивные силовые установки для водной или внеатмосферной среды.

Кратко 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.[нужна цитата ]

Многие частично нитрованные сложные эфиры спирта подходят для использования в качестве одноразового топлива. «Динитрат триметиленгликоля» или 1,3-пропандиол динитрат изомерный с PGDN, и производится как побочный продукт в любых лабораторных условиях, кроме самых строгих; немного ниже удельный вес (и поэтому плотность энергии ) этого соединения возражает против его использования, но незначительные химические различия могут оказаться полезными в будущем.[нужна цитата ]

Родственный «динитродигликоль», более правильно называемый динитрат диэтиленгликоля в современных обозначениях, широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, как одиночное жидкое топливо, так и коллоидный с нитроцеллюлоза как твердое топливо. В остальном желательные характеристики этого соединения; он достаточно стабилен, прост в изготовлении и имеет очень высокую плотность энергии; омрачены высоким точка замерзания (-11,5 ° C) и заметное тепловое расширение, что проблематично для космических аппаратов. «Динитрохлоргидрин» и «тетранитродиглицерин» также являются вероятными кандидатами, хотя в настоящее время их использование неизвестно. Полинитраты длинноцепочечных и ароматические углеводороды неизменно являются твердыми веществами при комнатной температуре, но многие из них растворимы в простых спиртах или эфирах в больших количествах и могут быть полезны в этом состоянии.[нужна цитата ]

Гидразин,[5][10] окись этилена,[11] пероксид водорода (особенно в его немецкой форме Второй мировой войны как Т-Стофф ),[12] и нитрометан[13] являются обычным ракетным монотопливом. Как уже отмечалось, удельный импульс монотоплива ниже.[2][14] чем двухкомпонентное топливо, и его можно найти с помощью инструмента Код удельного импульса химического равновесия ВВС.[15]

Одно новое монотопливо в стадии разработки: оксид азота, как аккуратные, так и в виде топливные смеси закиси азота. Закись азота обладает преимуществами самонагнетания и относительно нетоксичности, со специфическим промежуточным импульсом между перекисью водорода и гидразином.[16] Оксид азота при разложении выделяет кислород, и его можно смешивать с топливом с образованием монотопливной смеси с удельным импульсом до 325 с, что сравнимо с гиперголические бипропелленты.[17]

Прямое сравнение физических свойств, производительности, стоимости, возможности хранения, токсичности, требований к хранению и мер по случайному выбросу перекиси водорода, нитрат гидроксиламмония (HAN), гидразин и различные монотопливы холодного газа показывают, что гидразин является наиболее эффективным с точки зрения удельного импульса. Однако гидразин также самый дорогой и токсичный. Кроме того, HAN и перекись водорода имеют самый высокий импульс плотности (общий импульс на данную единицу объема).[18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 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.
  2. ^ а б Корпорация РЭНД (1959). «Горючие вещества». В Horgan, M. J .; Palmatier, M. A .; Фогель, Дж. (Ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее приложения (Технический отчет). Типография правительства США. С. 42–46. 86.
  3. ^ "Ресурсы". Rocket Motor Components, Inc. Архивировано с оригинал 14 января 2012 г.
  4. ^ [1] В архиве 28 сентября 2009 г. Wayback Machine
  5. ^ а б Саттон 1992, п. 230
  6. ^ «Двухкомпонентный двигатель Aerojet устанавливает новый рекорд производительности». Aerojet Rocketdyne. 8 декабря 2008 г.. Получено 13 июля, 2014.
  7. ^ Саттон 1992, стр. 307—309
  8. ^ а б Корпорация РЭНД (1959). «Двигательные установки». В Horgan, M. J .; Palmatier, M. A .; Фогель, Дж. (Ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее приложения (Технический отчет). Типография правительства США. С. 31–41. 86.
  9. ^ Саттон 1992, гл. 7.
  10. ^ "Монотопливные гидразиновые двигатели". EADS Astrium. Архивировано из оригинал 27 марта 2010 г.
  11. ^ "ethylene_oxide.pdf" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 21 марта 2012 г.
  12. ^ "h2o2.pdf" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 21 марта 2012 г.
  13. ^ "nitromethane.pdf" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 21 марта 2012 г.
  14. ^ Саттон 1992, п. 36
  15. ^ Данн, Брюс П. (2001). "Программа удельных импульсов ракетных двигателей". Данн Инжиниринг. Архивировано из оригинал 20 октября 2013 г.
  16. ^ 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. Дои:10.1016 / S0094-5765 (01) 00047-9.
  17. ^ Морринг, Фрэнк младший (21 мая 2012 г.). "SpaceX доставит на МКС испытательный стенд" зеленого движения ". Неделя авиации и космической техники. Получено 13 июля, 2014.
  18. ^ Вернимонт, Эрик (2006). «Системное сравнение параметров монотоплива: перекись водорода против гидразина и других» (PDF). 42-я конференция и выставка по совместным двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE. Дои:10.2514/6.2006-5236.

внешняя ссылка

  • Саттон, Джордж П. (1992) [1949]. Элементы силовой установки ракеты (6-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN  0-471-52938-9.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
  • 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.