Порох

Топливо снаряд (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, 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 химической конструкции 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, с водная ракета , в которой 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 выхлопной 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 кислородом воздуха, 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 релятивистскую физику необходимо использовать .

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 и энергия химической реакции используются для вытеснения воды (пара) и 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.

Автомобильное топливо

Основные статьи: Ракетное топливо и реактивное движение

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 выхлопной 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 кислородом воздуха, 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 релятивистскую физику необходимо использовать .

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 и энергия химической реакции используются для вытеснения воды (пара) и 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.

Химическая энергия

Твердое топливо

Дополнительная информация: Твердое топливо и твердотопливная ракета.

• Композиционные топлива, изготовленные из твердого окислителя , такого как перхлорат аммония или нитрат аммония , синтетического каучука, такого как HTPB , PBAN или полиуретана (или энергетических полимеров, таких как полиглицидилнитрат или поливинилнитрат для получения дополнительной энергии), необязательного фугасного топлива (опять же, для дополнительной энергии), такие как гексоген или нитроглицерин , и обычно порошкообразное металлическое топливо, такое как алюминий .
• В некоторых любительских порохах используется нитрат калия в сочетании с сахаром , эпоксидной смолой или другими видами топлива и связующими соединениями.
• Перхлорат калия использовался в качестве окислителя в сочетании с асфальтом , эпоксидной смолой и другими связующими.

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.

Зерно

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.

Прогрессирующий ожог

Обычно это зерно с множественными перфорациями или звездчатым разрезом в центре, обеспечивающим большую площадь поверхности.

Дегрессивный ожог

Обычно твердое зерно в форме цилиндра или сферы.

Нейтральный ожог

Обычно одна перфорация; по мере уменьшения внешней поверхности внутренняя поверхность увеличивается с той же скоростью.

Состав

Существует четыре различных типа композиций твердого топлива/ракетного топлива:

Однокомпонентное топливо/ракетное топливо

Топливо/горючее на одной основе имеет нитроцеллюлозу в качестве основного взрывчатого ингредиента. Стабилизаторы и другие добавки используются для контроля химической стабильности и улучшения его свойств.

Двойное топливо/горючее

Топливо/ракетное топливо двойной основы состоит из нитроцеллюлозы с добавлением нитроглицерина или других жидких органических нитратных взрывчатых веществ. Также используются стабилизаторы и другие добавки. Нитроглицерин уменьшает дымность и увеличивает выход энергии. Двойное топливо/порох используется в стрелковом оружии, пушках, минометах и ​​ракетах.

Тройное топливо/ракетное топливо

Топливо/ракетное топливо тройной основы состоит из нитроцеллюлозы, нитрогуанидина, нитроглицерина или других жидких органических нитратных взрывчатых веществ. используется тройное топливо/порох В пушках .

Композитный

В композитах в качестве основного компонента не используются нитроцеллюлоза, нитроглицерин, нитрогуанидин или любой другой органический нитрат. Композиты обычно состоят из топлива, такого как металлический алюминий, горючего связующего, такого как синтетический каучук или HTPB , и окислителя, такого как перхлорат аммония. Комбинированное топливо/ракетное топливо используется в больших ракетных двигателях. В некоторых применениях, таких как американская ракета БРПЛ Trident II, нитроглицерин добавляется к композиту алюминия и перхлората аммония в качестве энергичного пластификатора.

Жидкое топливо

Дополнительная информация: жидкое топливо и ракета на жидком топливе.

В ракетах используются три основные комбинации жидкого двухкомпонентного топлива: криогенный кислород и водород, криогенный кислород и углеводород и хранимое топливо.

Криогенная кислородно - водородная комбинированная система

Используется в верхних ступенях, а иногда и в разгонных ступенях космических систем запуска. Это нетоксичная комбинация. Это дает высокий удельный импульс и идеально подходит для высокоскоростных миссий.

Криогенная кислородно-углеводородная топливная система

Используется для многих разгонных ступеней космических ракет-носителей, а также для меньшего количества вторых ступеней . Эта комбинация топлива/окислителя имеет высокую плотность и, следовательно, позволяет создать более компактную конструкцию ускорителя.

Хранимые комбинации порохов

Используется практически во всех двухкомпонентных ракетных двигателях малой тяги, вспомогательных или реактивных ракетных двигателях, а также в некоторых крупных ракетных двигателях первой и второй ступеней баллистических ракет. Они мгновенно запускаются и подходят для длительного хранения.

Комбинации топлива, используемые для ракет на жидком топливе, включают:

• Жидкий кислород и жидкий водород
• Жидкий кислород и керосин или РП-1
• Жидкий кислород и этанол
• Жидкий кислород и метан
• Перекись водорода и упомянутый выше спирт или РП-1
• Красная дымящая азотная кислота (РФНА) и керосин или РП-1
• РФНА и несимметричный диметилгидразин (НДМГ)
• Тетроксид динитрогена и НДМГ, ММГ и/или гидразин

Обычное монотопливо, используемое в жидкостных ракетных двигателях, включает:

• Перекись водорода
• Гидразин
• Красная дымящая азотная кислота (РФНА)

Электрический привод

Основная статья: Двигательная установка космического корабля с электрическим приводом

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.

Электростатический

Основная статья: Ионный двигатель

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:

• Ионный двигатель с решеткой - в качестве топлива используются положительные ионы, ускоряемые электрически заряженной сеткой.
  • Готовность к применению солнечных технологий НАСА (NSTAR) - положительные ионы ускоряются с помощью высоковольтных электродов.
  • HiPEP – использование положительных ионов в качестве топлива, созданного с помощью микроволн.
  • Радиочастотный ионный двигатель – обобщение HiPEP
• Двигатель на эффекте Холла , включая его подтипы: стационарный плазменный двигатель (SPT) и двигатель с анодным слоем (TAL) — используют эффект Холла для ориентации электронов для создания положительных ионов для топлива.
• Коллоидно-ионный двигатель - электростатическое ускорение капель жидкой соли в качестве топлива.
• Автоэмиссионная электрическая двигательная установка - использование электродов для ускорения ионизированного жидкого металла в качестве топлива.
• Двигатель с извлечением поля наночастиц - использование заряженных цилиндрических углеродных нанотрубок в качестве топлива

Электротермический

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.

• Resistojet - использование обычно инертного сжатого топлива, которое активируется простым резистивным нагревом.
• Arcjet - использует (обычно) гидразин или аммиак в качестве топлива, которое возбуждается электрической дугой.
• Микроволновая печь - разновидность радиочастотного ионного двигателя.
• Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR) - использует генерируемую микроволновым излучением плазму в качестве топлива и магнитное поле для управления ее выбросом.

Электромагнитный

Основная статья: Плазменный маршевый двигатель

В электромагнитных двигателях в качестве топлива используются ионы, которые ускоряются силой Лоренца или магнитными полями, любое из которых генерируется электричеством:

• Безэлектродный плазменный двигатель - сложная система, использующая холодную плазму в качестве топлива, ускоряемую пондеромоторной силой.
• Магнитоплазмодинамический двигатель - топливо включает ксенон, неон, аргон, водород, гидразин или литий; вытеснен с помощью силы Лоренца
• Импульсный индуктивный двигатель - поскольку этот реактивный двигатель использует радиальное магнитное поле, он действует как на положительные, так и на отрицательные частицы и поэтому может использовать в качестве топлива широкий спектр газов, включая воду, гидразин, аммиак, аргон, ксенон и многие другие.
• Импульсный плазменный двигатель - в качестве топлива используется тефлоновая плазма, которая создается электрической дугой и выбрасывается с помощью силы Лоренца.
• Двухслойный двигатель Helicon - плазменное топливо генерируется и возбуждается из газа с помощью геликона, индуцируемого радиоволнами высокочастотного диапазона, которые образуют магнитное сопло в цилиндре.

Ядерный

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

См. Также: Лазерная двигательная установка и ракета «Фотон».

Фотонный реактивный двигатель использует фотоны в качестве топлива и их дискретную релятивистскую энергию для создания тяги.

Пороха для снарядов

См. Также: Порох , Бездымный порох и Порох для огнестрельного оружия.

Сжатое жидкое топливо

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 более практичный источник давления пороха.

Сжатая жидкость-вытеснитель может представлять собой просто газ под давлением или вещество, которое представляет собой газ при атмосферном давлении, но хранится под давлением в виде жидкости.

Сжатый газ-вытеснитель

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 из-за его простоты можно использовать в низкотехнологичных устройствах, таких как распылители , распылители растений и водяные ракеты . Простейшими примерами такой системы являются бутылочки для хранения 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

См. также: Аэрозоль_спрей § Аэрозольные пропелленты.

Принцип

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.

жидкости Смесь жидкости и газообразного топлива внутри баллона поддерживает постоянное давление, называемое давлением паров . 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 это 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).

Составы топлива

Хлорфторуглероды (ХФУ) когда-то часто использовались в качестве топлива. но с тех пор, как Монреальский протокол вступил в силу 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 . диметиловый эфир (ДМЭ) и метилэтиловый эфир Также используются . Все они имеют тот недостаток, что являются легковоспламеняющимися . Закись азота и диоксид углерода также используются в качестве пропеллентов для доставки 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 комбинации эти двое. 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.

Полезная нагрузка

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.

См. также

• Патрон (огнестрельное оружие)
• Взрывчатый материал
• Топливо
• Склад топлива
• Движение космического корабля
• Удельный импульс

Библиография

• Кларк, Джон Д. (1972). Зажигание! Неофициальная история жидкого ракетного топлива . Издательство Университета Рутгерса. ISBN  0-8135-0725-1 .

Внешние ссылки

• Ракетное топливо
• Элементы ракетной двигательной установки, Саттон, Джордж П., Biblarz, Оскар, 7-е изд.
• Понимание и прогнозирование эрозии ствола оружия - Организация оборонной науки и технологий Отдела систем вооружения, Ян А. Джонстон. Архивировано 10 июля 2013 г. в Wayback Machine.