Монотопливо

Монотопливо ^[1] представляют собой пропелленты, состоящие из химических веществ, которые выделяют энергию посредством экзотермического химического разложения. Энергия молекулярной связи монотоплива обычно высвобождается за счет использования катализатора. Это можно противопоставить двухтопливным топливам, которые выделяют энергию в результате химической реакции между окислителем и топливом. Будучи стабильными при определенных условиях хранения, монотопливо очень быстро разлагается при некоторых других условиях с образованием большого объема собственных энергетических (горячих) газов для выполнения механической работы. Хотя твердые дефлаганты , такие как нитроцеллюлоза , наиболее часто используемое пороховое топливо в огнестрельном оружии, можно рассматривать как монотопливные вещества, в технической литературе этот термин обычно применяется к жидкостям. ^[2]

Использование

Наиболее распространенное использование монотоплив. ^[3] есть в малоимпульсных монотопливных ракетных двигателях , ^[4] такие как двигатели управления реакцией , обычное топливо - гидразин ^[5]^[6] который обычно разлагается под воздействием иридия ^[7]^[8] слой катализатора (гидразин предварительно нагревается, чтобы реагент оставался жидким). В результате этого разложения образуется желаемая струя горячего газа и, следовательно, тяга . Перекись водорода ^[9] использовался в качестве источника энергии для насосов топливных баков в таких ракетах, как немецкая Фау-2 времен Второй мировой войны и американская Redstone . ^[10] Перекись водорода пропускают через сетку платинового катализатора . ^[9] или вступает в контакт с керамическими шариками, пропитанными диоксидом марганца , или Z-Stoff перманганата одновременно впрыскивается раствор , что приводит к разложению перекиси водорода 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 борьбы между атомными подводными лодками В эту категорию обычно попадает . Наиболее часто используемым топливом в этом случае является стабилизированный динитрат пропиленгликоля ( ПГДН ), часто называемый « топливом Отто ». Потенциальное будущее использование монотоплива, не связанного напрямую с двигательной установкой, - 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 лучших и более энергичных монотоплив. По большей части исследователи пришли к выводу, что любое отдельное вещество, содержащее достаточно энергии, чтобы конкурировать с двухкомпонентным топливом, будет слишком нестабильным, чтобы его можно было безопасно использовать в практических условиях. Благодаря новым материалам, системам управления и требованиям к высокопроизводительным двигателям инженеры в настоящее время ^{[ когда? ]} перепроверив это предположение. ^{[ нужна ссылка ]}

Многие частично нитрованные эфиры спиртов пригодны для использования в качестве монотоплив. «Динитрат триметиленгликоля» или 1,3-пропандиола динитрат изомерен PGDN ; и производится как фракционный побочный продукт во всех лабораторных условиях, кроме самых строгих незначительно более низкий удельный вес (и, следовательно, плотность энергии ) этого соединения свидетельствует против его использования, но незначительные различия в химии могут оказаться полезными в будущем. ^{[ нужна ссылка ]}

Родственный «динитродигликоль», более правильно называемый динитратом диэтиленгликоля в современных обозначениях, широко использовался во время Второй мировой войны в Германии как отдельно в качестве жидкого монотоплива, так и в сочетании с нитроцеллюлозой в качестве твердого топлива. В остальном желательные характеристики этого соединения; он достаточно стабилен, прост в изготовлении и имеет очень высокую плотность энергии; омрачены высокой температурой замерзания (-11,5 град. C) и выраженным тепловым расширением, что создает проблемы для космических кораблей. «Динитрохлоргидрин» и «тетранитродиглицерин» также являются вероятными кандидатами, хотя их использование в настоящее время неизвестно. Полинитраты длинноцепочечных и ароматических углеводородов всегда представляют собой твердые вещества при комнатной температуре, но многие из них растворимы в больших количествах в простых спиртах или простых эфирах и могут быть полезны в этом состоянии. ^{[ нужна ссылка ]}

Гидразин , ^[6]^[11] оксид этилена , ^[12] перекись водорода (особенно в ее немецкой форме времен Второй мировой войны как T-Stoff ), ^[13] и нитрометан ^[14] являются обычными ракетными монотопливами. Как отмечалось, удельный импульс монотоплив ниже. ^[3]^[15] чем двухкомпонентное топливо, и его можно найти с помощью инструмента «Код конкретного импульса химического равновесия ВВС». ^[16]

Одним из новых монотоплив, находящихся в стадии разработки, является закись азота , как в чистом виде, так и в виде топливных смесей закиси азота . Закись азота обладает преимуществами, заключающимися в том, что она самосжимается и относительно нетоксична, а также имеет специфический промежуточный импульс между перекисью водорода и гидразином. ^[17] Закись азота при разложении выделяет кислород, и его можно смешивать с горючими с образованием монотопливной смеси с удельным импульсом до 325 с, сравнимым с гиперголическими битопливами . ^[18] В 2018 году был изобретен новый катализатор из драгоценных металлов для использования с закисью азота — оксид родия на сферах оксида алюминия, который более стабилен при более высоких температурах, чем чистый родий или иридий. ^[19]

Прямое сравнение физических свойств, производительности, стоимости, возможности хранения, токсичности, требований к хранению и мер по предотвращению случайного выброса перекиси водорода, нитрата гидроксиламмония (HAN), гидразина и различных монотоплив, работающих на холодных газах, показывает, что гидразин имеет самые высокие характеристики с точки зрения удельного импульса. Однако гидразин также является самым дорогим и токсичным. Кроме того, HAN и перекись водорода имеют самую высокую плотность импульса (суммарный импульс на единицу объема). ^[20]

См. также

Ссылки

^ Сибил П. Паркер (2003). Словарь научных и технических терминов МакГроу-Хилла (6-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 1370. ИСБН 978-0-07-042313-8 . Ракетное топливо, состоящее из одного вещества, особенно жидкости, способное создавать тягу ракеты без добавления второго вещества.
^ Вер, Рэй (1985). Технология авиационного топлива . Macmillan Education Великобритания. п. 223. ИСБН 978-1-349-06904-0 .
^ Jump up to: ^а ^б Корпорация РЭНД (1959). «Пропелленты». В Хоргане, MJ; Пальматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее применение (Технический отчет). Типография правительства США. стр. 42–46. 86.
^ «Ресурсы» . Rocket Motor Components, Inc. Архивировано из оригинала 14 января 2012 года.
^ [1] Архивировано 28 сентября 2009 г., в Wayback Machine.
^ Jump up to: ^а ^б Саттон 1992 , с. 230
^ «Аэроджетный двухкомпонентный двигатель устанавливает новый рекорд производительности» . Аэроджет Рокетдайн. 8 декабря 2008 года. Архивировано из оригинала 7 марта 2017 года . Проверено 13 июля 2014 г.
^ Саттон 1992 , стр. 307–309.
^ Jump up to: ^а ^б Корпорация РЭНД (1959). «Двигательные системы». В Хоргане, MJ; Пальматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее применение (Технический отчет). Типография правительства США. стр. 31–41. 86.
^ Саттон 1992 , гл. 7.
^ «Монотопливные гидразиновые двигатели» . EADS Астриум. Архивировано из оригинала 27 марта 2010 года.
^ "этилен_оксид.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.
^ "h2o2.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.
^ "нитрометан.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.
^ Саттон 1992 , с. 36
^ Данн, Брюс П. (2001). «Программа специального импульса для ракетных двигателей» . Данн Инжиниринг. Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года.
^ Закиров Вадим; Свитинг, Мартин; Лоуренс, Тимоти; Селлерс, Джерри (2001). «Закись азота как ракетное топливо». Акта Астронавтика . 48 (5–12): 353–362. Бибкод : 2001AcAau..48..353Z . дои : 10.1016/S0094-5765(01)00047-9 .
^ Морринг, Фрэнк младший (21 мая 2012 г.). «SpaceX доставит на МКС испытательный стенд с экологически чистыми двигателями» . Неделя авиации и космических технологий . Проверено 13 июля 2014 г.
^ «Катализаторы» . Американские элементы . Проверено 5 января 2024 г.
^ Вернимонт, Эрик (2006). «Сравнение системных торговых параметров монотоплив: перекись водорода, гидразин и другие» (PDF) . 42-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . дои : 10.2514/6.2006-5236 . ISBN 978-1-62410-038-3 .

Внешние ссылки

Саттон, Джордж П. (1992) [1949]. Элементы ракетной двигательной установки (6-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-52938-9 .
В автобиографии есть целая глава, посвященная истории разработки монотоплива. Кларк, Джон Друри (23 мая 2018 г.). Зажигание!: Неофициальная история жидкого ракетного топлива . Издательство Университета Рутгерса. п. 302. ИСБН 978-0-8135-9918-2 . ОСЛК 281664 .
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 топлива, используемого Германией во время войны.
« Химия пороха и взрывчатых веществ » Тенни Л. Дэвиса — выдающийся, хотя и устаревший, источник информации по множеству аспектов соединений с высокой энтальпией. (Эта работа первоначально была опубликована MIT Press в 1943 году в качестве учебника. Переиздана по субсидиям только в 1995 году Pyrotek Inc., фирмой, занимающейся поставками любительской ракетной техники. В этом издании данные каталога не приводятся. Текущий статус публикации неизвестен.).
Доклад конференции 1999 г. об историческом использовании перекиси водорода ракетного качества, включая применение монотоплива.

[1] Сибил П. Паркер (2003). Словарь научных и технических терминов МакГроу-Хилла (6-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 1370. ИСБН 978-0-07-042313-8 . Ракетное топливо, состоящее из одного вещества, особенно жидкости, способное создавать тягу ракеты без добавления второго вещества.

[2] Вер, Рэй (1985). Технология авиационного топлива . Macmillan Education Великобритания. п. 223. ИСБН 978-1-349-06904-0 .

[spacehandbookprops-3] Jump up to: ^а ^б Корпорация РЭНД (1959). «Пропелленты». В Хоргане, MJ; Пальматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее применение (Технический отчет). Типография правительства США. стр. 42–46. 86.

[4] «Ресурсы» . Rocket Motor Components, Inc. Архивировано из оригинала 14 января 2012 года.

[5] [1] Архивировано 28 сентября 2009 г., в Wayback Machine.

[Sutton,_230-6] Jump up to: ^а ^б Саттон 1992 , с. 230

[7] «Аэроджетный двухкомпонентный двигатель устанавливает новый рекорд производительности» . Аэроджет Рокетдайн. 8 декабря 2008 года. Архивировано из оригинала 7 марта 2017 года . Проверено 13 июля 2014 г.

[Sutton,_307-309-8] Саттон 1992 , стр. 307–309.

[spacehandbookpropuls-9] Jump up to: ^а ^б Корпорация РЭНД (1959). «Двигательные системы». В Хоргане, MJ; Пальматье, Массачусетс; Фогель, Дж. (ред.). Справочник по космосу: космонавтика и ее применение (Технический отчет). Типография правительства США. стр. 31–41. 86.

[10] Саттон 1992 , гл. 7.

[11] «Монотопливные гидразиновые двигатели» . EADS Астриум. Архивировано из оригинала 27 марта 2010 года.

[12] "этилен_оксид.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.

[13] "h2o2.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.

[14] "нитрометан.pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2012 г.

[15] Саттон 1992 , с. 36

[16] Данн, Брюс П. (2001). «Программа специального импульса для ракетных двигателей» . Данн Инжиниринг. Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года.

[ZakirovSweeting2001-17] Закиров Вадим; Свитинг, Мартин; Лоуренс, Тимоти; Селлерс, Джерри (2001). «Закись азота как ракетное топливо». Акта Астронавтика . 48 (5–12): 353–362. Бибкод : 2001AcAau..48..353Z . дои : 10.1016/S0094-5765(01)00047-9 .

[awst20120521-18] Морринг, Фрэнк младший (21 мая 2012 г.). «SpaceX доставит на МКС испытательный стенд с экологически чистыми двигателями» . Неделя авиации и космических технологий . Проверено 13 июля 2014 г.

[19] «Катализаторы» . Американские элементы . Проверено 5 января 2024 г.

[Wernimont2006-20] Вернимонт, Эрик (2006). «Сравнение системных торговых параметров монотоплив: перекись водорода, гидразин и другие» (PDF) . 42-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . дои : 10.2514/6.2006-5236 . ISBN 978-1-62410-038-3 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]