СИЛА И СЛАБОСТЬ ХИМИИ 2


Скорость истечения W,

Рис. 4. График уравнения Циолковского для одноступенчатой ракеты (конечная скорость ракеты V в зависимости от скорости истечения W и отношения масс т).

Иное дело — величина скорости истечения W. Как мы увидим ниже, здесь решающее слово принадлежит химии.

Чтобы убедиться в этом, прибегнем к помощи очень несложной формулы, которой часто пользуются в теории ракетных двигателей для определения скорости истечения. Вот эта формула: _

W = 91,5 ]Л)Я.

Здесь W — скорость истечения, Г) — коэффициент,- учиты-

вающий степень совершенства происходящего в двигателе преобразования химической энергии топлива в механическую, т. е. кинетическую энергию струи газов (из-за неизбежных потерь он всегда меньше единицы), Н — так называемая теплотворность топлива, т. е. количество

2 К, А. Гильзин ДЗ

химической энергии, выделяющейся в виде тепла в результате реакции сгорания 1 кг топлива.

Таким образом, если не считать совершенства двигателя, скорость истечения оказывается целиком зависящей от характера топлива, на котором работает двигатель. Вот это уже чистая химия!

Приведенная выше формула, связывающая скорость истечения с теплотворностью топлива, очень важна для всей ракетной техники. Поэтому имеет смысл выяснить, как она получается, тем более, что сделать это весьма просто, пользуясь законом сохранения энергии.

Пусть, например, в двигателе сгорает за какое-то время 1 кг топлива. Выделившаяся при этом энергия Н представляет собой кинетическую энергию теплового движения молекул газообразных продуктов реакции, заполняющих камеру сгорания двигателя. В результате последующего расширения газов в реактивном сопле беспорядочное, хаотическое движение, каким является тепловое движение молекул, заменяется, как говорят, организованным движением—в выходном сечении сопла все молекулы движутся в одном общем направлении со скоростью W.

Но в соответствии с законом сохранения энергии кинетическая энергия вытекающих газов должна равняться кинетической энергии теплового движения, т. е. (для 1 кг газов)

W2 2 g

= АцН.

Здесь g — ускорение земного тяготения (9,81 м/сек), А—механический эквивалент тепла, который необходим, чтобы количества энергии, входящие в формулу, измерялись в одних и тех же единицах (А = 427 ——).

ККиЛ'

Теперь легко получить и выражение для скорости истечения:

W= ]/2gAf]H = j/2 • 9,81 • 427т)Я = 91,5 Krjtf.

Мы получили нужную формулу. Если подставить в нее величину теплотворности в килокалориях, то скорость истечения будет измеряться в метрах в секунду. Так, если теплотворность топлива равна, например, 1600 ккал/кг. то теоретически возможная скорость истечения (т. е при Т] = 1) равна 91,5 У 1600 = 91,5*40 = = 3660 м/сек.

Следовательно, топливо для ракетного двигателя межпланетного корабля должно выделять при сгорании максимально возможное количество тепла. Это — главное требование к такому топливу.

Главное, но, конечно, не единственное. Помимо этого предъявляется еще целый набор разнообразных, часто противоречивых и почти всегда очень жестких требований. Да, нелегкую задачу ставят перед химией ракетная техника и космонавтика, требуя все лучших топлив!

Некоторые из предъявляемых к топливу требований являются самоочевидными. В самом деле, разве не ясно, что ракетные топлива не должны вызывать бурной коррозии конструкционных материалов, из которых изготовляются ракета и двигатель, не должны быть очень редкими и очень дорогостоящими, не должны быть чрезмерно ядовитыми (причем это относится и к самим топливам, и к продуктам их сгорания в двигателе), не должны замерзать при встречающихся в эксплуатации рабочих температурах, не должны быть особо взрывоопасными, и т. д. Но есть и такие требования, и притом весьма важные, которые вовсе не так самоочевидны.

К их числу относится, например, требование достаточно высокого удельного веса топлива. На первый взгляд кажется, что оно не столь существенно. Действительно, решающим ведь является не объем топлива, а его вес. Однако на самом деле это одно из наиболее важных требований к топливу. Даже очень хорошее по другим показателям топливо может оказаться практически непригодным, если его удельный вес чрезмерно мал. Ведь если топливо обладает малой плотностью, то для него потребуются баки огромных размеров и, значит, в такой же степени возрастут и размеры всей ракеты, ибо основную часть объема ракеты занимает топливо. Но при этом неизбежно возрастает и вес ракеты, что может свести на нет все прочие достоинства топлива. Правда, в большинстве случаев решающим качеством топлива' является, как мы уже знаем, его теплотворность (или калорийность, как иногда говорят), непосредственно определяющая скорость истечения газов из двигателя.

Поскольку именно скорость истечения является тем главным показателем, который оценивает пригодность топлива, то обычно в ракетной технике различные топлива сравнивают непосредственно по скорости истечения. При

этом скорость истечения определяют, зная теплотворность топлива, по уже известной нам формуле, принимая в ней величину Г] = 1. Таким образом, определяется, как мы уже знаем, максимально возможное теоретическое значение скорости истечения для данного топлива, так как при этом потери энергии в процессе ее преобразований в двигателе считаются отсутствующими (в частности, истечение считается происходящим в вакуум, что и соответствует полету в мировом пространстве).

Правда, часто в литературе можно встретить общепринятое инженерами-ракетчиками сравнение ракетных топлив не по скорости истечения, а по так называемому удельному импульсу, или удельной тяге. Но легко видеть, что это равносильно сравнению по скорости истечения. Действительно, удельный импульс, или' удельная тяга, есть тяга двигателя, приходящаяся на расход топлива, равный 1 кг!сек. Значит, чтобы определить удельный импульс, нужно тягу двигателя разделить на секундный расход топлива, т. е.

(/ — удельная тяга, которая измеряется в сек, R — тяга двигателя в к/\ С — секундный расход топлива двигателя в кг/сек).

Но тяга ракетного двигателя в свою очередь связана со скоростью истечения W хорошо известной формулой

R = -.W,

где-Glg— секундная масса сгорающего в двигателе топлива. Следовательно, как легко видеть, удельная тяга

a g-G g

(это выражение можно было получить и непосредственно, заменив в формуле тяги величину С единицей). Значит,

/

сек,

т. е. удельная тяга легко получается делением скорости истечения на 9,81 (часто делят просто на 10) ). *)

*) Следует указать, что, строго говоря, удельный импульс и удельная тяга есть разные понятия. Удельный импульс есть, действительно Ш/g, а удельная тяга R/G. Эти две величины совпадают по ве

Если, допустим, скорость истечения равна 2500 м/сек,

2500 лга ( 2500

то удельная тяга равна -jq-=2oU сек (точнее, g-gj =■

=255 сек j. Двигатель, в котором в секунду сгорает, допустим, 100 кг такого топлива, разовьет тягу 250*100 = = 25 000 кГ.

Величина удельного импульса играет столь важную роль в ракетной технике, что уместно здесь сделать некоторые замечания о ее физическом смысле. Прежде всего возникает вопрос о том, почему удельный импульс измеряется в единицах времени — секундах (могут применяться и более крупные единицы — минуты, часы). Что это за время?

Речь идет о времени, в течение которого в данном двигателе сгорает 1 кг топлива, создавая тягу в 1 кГ. Чем больше это время, тем больше удельный импульс. Таким образом, удельный импульс является для ракетчиков мерой экономичности двигателя, характеристикой величины удельного расхода топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше будет израсходовано топлива на совершение данного полета.

Итак, ракетная техника ждет от химии топлив, с помощью которых прежде всего может быть получена наибольшая скорость истечения, или наибольший удельный импульс, что, как мы видели, равнозначно. Как же химия удовлетворяет эти запросы ракетной техники, какие топлива для ракетных двигателей она уже предложила и они нашли применение на практике? И каковы ее еще скрытые до сих пор ресурсы в этом отношении, ее еще не использованные возможности? *)•

К сожалению, даже на первый, и естественно, более простой вопрос ответить вовсе не так легко. И это обьяс-

личине только тогда, когда тяга выражается приведенной выше формулой R = ClVlg, что имеет место только в так называемом расчетном случае, когда давление на срезе сопла равно атмосферному.

) Все данные о ракетных топливах и их характеристиках, приведенные ниже в этой главе, заимствованы из зарубежных технических журналов и в большинстве случаев уже были опубликованы в оте-^ чественной технической литературе (см., например, книги: А з ерник о в, От спички к ракетному топливу, «Молодая гвардия», 1961 г.; П а у ш к и н, Химический состав и свойства реактивных топлив., Изд-во АН СССР, 1958 г.; Серегин, Жидкие ракетные топлива, Воениздат, 1962, и др.).

няется не только тем, что уже сейчас в качестве ракетных топлив используется весьма широкий круг химических веществ и еще большее количество таких веществ предложено для использования в будущем. Дело не только в количественной стороне вопроса. Когда мы говорим о проблеме ракетных топлив, то возникают своеобразные трудности -— если угодно, трудности качественного характера. Это объясняется тем, что, оказывается, как мы увидим ниже, вовсе не легко даже дать простое определение, что собой представляет ракетное топливо. Во всяком случае, здесь оказываются непригодными обычные представления о топливе, сложившиеся за многие тысячелетия, в течение которых человеку приходилось иметь дело с топливом.

Действительно, обычное понятие топлива, или горючего (эти понятия являются в повседневной речи синонимами), известно и легко доступно пониманию. Топливо — это вещество, которое легко сгорает, выделяя при этом большее или меньшее количество тепла и именно в этих целях используется. При этом само собой разумеется, что речь идет о сгорании в воздухе, т. е. с использованием атмосферного кислорода. Горит ли твердое топливо, например, уголь или дрова в печке, жидкое топливо — бензин или керосин в автомобильном двигателе, или, наконец, газообразное — светильный газ в кухонной плите, во всех случаях происходит бурная химическая реакция между молекулами топлива и молекулами атмосферного кислорода. Вот эта реакция окисления, обычно сопровождающаяся образованием пламени и выделением больших количеств тепла, и называется сгоранием. Здесь все просто и понятно.

Иное дело — ракетные топлива. Для тех, кто впервые знакомится с ними, многое оказывается необычным. Сгорание ракетных топлив заставляет отказаться от самых как будто бы прочно установившихся представлений. При таком сгорании происходят явления, которые на первый взгляд кажутся удивительными, даже невероятными.

Вот, например, перед нами в сосуде почти бесцветная жидкость, одно из современных ракетных топлив. Это химическое вещество — пергидроль, или перекись водорода Н2О2, — известно уже давно. Задолго до того, как получить применение в ракетной технике, перекись водорода использовалась в химии, медицине и даже в быту. Правда,

наша перекись, в отличие от обычного пергидроля, очень концентрирована, почти чистая, в ней мало воды, составляющей большую часть пергидроля, который, можно, например, приобрести в аптеке. Сделаем такой опыт. Насыплем в металлическую банку немного кристаллов перманганата калия или кальция и плеснем в нее из нашего сосуда перекиси водорода. Сейчас же в банке начнется бурная химическая реакция. Банка раскалится, из нее повалят темные клубы парогаза, горячего как огонь. Пройдет немного времени, и в банке не останется вовсе перекиси, она полностью исчезнет. Что же произошло в банке, какая химическая реакция перекиси с перманганатом?

Чтобы выяснить это, убедимся, какие теперь, после реакции, имеются вещества в банке. Оказывается, на ее дне находится один только перманганат, все тот же перманганат. Это, конечно, странно. Но, может быть, пытаемся мы найти объяснение, часть перманганата прореагировала с перекисью и улетучилась в виде парогаза, а остальная часть сохранилась? Ну, что же, проверим, взвесив оставшийся перманганат и сравнив его количество с первоначальным — это сделать легко. И что же? Вес перманганата не изменился — перманганат нисколько не израсходовался.

Оказывается, перманганат ни в какой реакции вовсе и не участвовал!

Мы опять вспоминаем, что существуют такие вещества, которые, не участвуя сами в реакции и поэтому не расходуясь, лишь содействуют ее протеканию. Такие вещества называют в химии катализаторами. Может быть, и перманганат здесь просто катализатор, и его роль заключается в том, что он только содействует бурному протеканию реакции перекиси с атмосферным воздухом?

Но и это предположение оказывается несостоятельным, ибо такая же в точности картина наблюдалась бы и в условиях абсолютного вакуума, т. е. при полном отсутствии воздуха.

Мы становимся окончательно в тупик. Выходит, что в бурном сгорании перекиси водорода участвовала... одна лишь эта перекись?! Это уже настоящее чудо с точки зрения обычных представлений о сгорании — топливо сгорает само по себе, без окислителя, в одиночку! Но ведь не меньшим чудом является и взрыв пороха под водой. 1 оже ведь без всякого воздуха!

А чем не чудо такая картина. Плеснули одной жидкостью на другую — сразу бурная реакция, тепло, пламя, газы, одним словом, типичная картина горения. И все это тоже с успехом происходит и в вакууме, без всякого воздуха. Одна жидкость горит в другой! Неправда ли, и это совсем не похоже на обычное сгорание, а между тем именно такое сгорание характерно для современных ракетных двигателей. Так, например, идет сгорание азотной кислоты и анилина, многих других ракетных топлив.

Ну, а такое, например, чудо, как сгорание, в котором «горит», т. е., по существу, окисляется... кислород. Это не оговорка, именно не окисляет, а окисляется сам!

Как видно, сгорание топлива в ракетном двигателе может происходить по-разному. Важно лишь одно — во всех случаях ракетные топлива должны сгорать без какого бы то ни было участия атмосферного воздуха, т. е. сами по себе, — так сказать, автономно. И при этом они должны выделять много тепла и давать большое количество газов. А во всем остальном различные ракетные топлива могут оказаться совсем непохожими друг на друга. Например, большую группу современных ракетных топлив составляют так называемые унитарные топлива. Это топливо — одна какая-нибудь жидкость или твердое вещество. Унитарным топливом является, в частности, и уже известная нам перекись водорода и многие другие вещества. При сгорании в двигателе эти вещества распадаются, или, как говорят, диссоциируют на другие, более простые. Вот так в нашем примере перекись водорода диссоциировала на пары воды и кислород. При этом распаде молекул перекиси выделялось много тепла, которое и раскалило банку. Могут применяться унитарные топлива и другого рода, тоже являющиеся однородными химическими веществами. Молекулы таких веществ содержат в себе все элементы, необходимые для реакции сгорания, так что сначала молекулы распадаются на составные части, а затем эти части вступают между собой в реакцию сгорания. Так происходит, например, с молекулами нитрометана (CH3NO2), нитроглицерина [СзНбСОЬЮгЫ и другими.

Но унитарное топливо может представлять собой не только однородное вещество, т. е. однокомпонентное топ-

либо (иногда его также называют монотопливом), а какую-нибудь заранее приготовленную равномерную смесь двух или нескольких различных веществ. В двигателе такая смесь компонентов топлива воспламеняется и сгорает— между ее составными частями идет химическая реакция с выделением тепла и образованием газов. Такие смеси могут быть и жидкими (в частности, у нас в стране еще в 1939 г. велись опыты с жидким унитарным топливом, представлявшим собой смесь нитробензола и четы-рехокиси азота), но особенно большое распространение получили твердые ракетные топлива этого вида.

Что же касается современных жидких ракетных топлив, то они в абсолютном большинстве случаев представляют собой не одно вещество. Это — две различные жидкости, содержащиеся в отдельных баках и встречающиеся лишь в камере сгорания двигателя. Поэтому такие топлива называются топливами раздельной подачи, или двухкомпонентными. Одна из составляющих топливо жидкостей (один компонент) носит название окислителя, а другая — горючего. Если унитарное топливо представляет собой смесь различных веществ, о чем говорилось выше, то и в этом случае в смеси присутствуют как горючие, так и окислители. Как видно, в ракетной технике понятия горючего и топлива не являются более синонимами — горючее представляет собой только одну составную часть топлива.

Это разделение ракетных топлив на горючие и окислители есть разделение функциональное, т. е. оно основано на различии функций, выполняемых компонентами топлива при сгорании. Такое разделение играет столь большую роль в ракетной технике, что о нем стоит сказать подробнее.

Часто в научно-популярных книгах по ракетной технике приводится такое определение: горючее — это вещество, сгорающее с выделением большого количества тепла, а окислитель — вещество, содержащее кислород, необходимый для такого сгорания.

Вряд ли, конечно, подобное определение может удовлетворить пытливого читателя. Действительно, почему «сгорает с выделением тепла» горючее, а не окислитель? А^ак при таком определении объяснить, например, «сгорание» кислорода с фтором, при котором роль горючего,

оказывается, играет ... кислород? *). И как укладывается в это определение такое вещество, как, например, гидразин (N2H4), который в некоторых случаях играет роль горючего, например, с кислородом, а в других — окислителя, например, с пентабораном?

Суть дела здесь, как и во всех химических реакциях, связана с особенностями строения электронных оболочек участвующих в реакции молекул. Нас это не должно удивлять — выше уже говорилось о том, что именно электронные оболочки таят в себе секрет химической энергии.

По современным научным представлениям орбиты электронов, обращающихся вокруг ядра атома и составляющие его электронную оболочку, располагаются как бы в несколько слоев или «этажей», причем в каждом этаже может «проживать» только строго определенное количество электронов. Можно представить себе такой атом, у которого электрон (а может быть, даже и не один), находящийся на самом верхнем «этаже» электронной оболочки, т. е. наиболее удаленной от атомного ядра орбите, сравнительно слабо связан с этим ядром. Следовательно, как указывалось выше, о таком электроне можно сказать, что он обладает малой энергией связи. С другой стороны, можно представить себе и такой атом, к электронной оболочке которого можно было бы добавить еще один «лишний» электрон и он оказался бы достаточно сильно связанным с атомом, т. е. обладал бы большей энергией связи, чем в первом атоме. Наконец, нетрудно представить себе, что оба эти атома сблизились на весьма малое расстояние, или, как говорят в этих случаях, столкнулись между собой. Что произойдет при этом? Легко может случиться, что результатом такого столкновения будет химическая реакция, связанная с перемещением электрона с оболочки первого атома на оболочку второго. Образовавшаяся в результате химической реакции молекула будет обладать в этом случае большей энергией связи, чем суммарная энергия связи исходных атомов. Значит, избыток энергии связи выделится в виде химической энергии, преобразующейся сразу же в тепловую.

В химии принято считать, что атом или молекула, охотно «захватывающая» электроны, обладает окисли

*) Правда, в таком «сгорании» выделяется очень немного тепла, примерно 100 ккал/кг,

42 .

тельными свойствами, а легко расстающаяся С ними — восстановительными. Так, например, в атоме кислорода в верхнем «этаже» электронной оболочки недостает до «комплекта» двух электронов и он бурно реагирует с большинством других атомов, отбирая у них «плохо лежащие», т. е. слабо связанные электроны. Так случается при обычном сгорании водорода, углерода и других веществ. Но вот атом кислорода столкнулся с атомом фтора и роли переменились. Теперь уже коса нашла на камень, электроны в атоме фтора еще крепче связаны, чем в атоме кислорода, он обладает еще более сильными окислительными свойствами (в верхнем «этаже» его электронной оболочки до комплекта недостает одного электрона), и хочешь не хочешь, атому кислорода (подумать только, самого кислорода!) приходится расставаться со своим электроном.

Теперь становится ясно, какие именно вещества могут быть использованы в ракетной технике в качестве окислителей и какие — в качестве горючих.

Как уже говорилось выше, главной задачей химии в ее помощи ракетной технике должны быть поиски наиболее теплопроизводительных окислителей и горючих, т. е. приводящих к наибольшему выделению энергии в ходе реакции сгорания. Вряд ли то, что природа дает в готовом виде, во всех случаях устроит науку. Здесь должно раскрыться во всем блеске искусство синтеза, должны быть созданы новые синтетические топлива, обладающие нужными свойствами.

В настоящее время уже предложены многочисленные жидкие топливные комбинации, но широкое применение на практике получило лишь относительно ограниченное число жидких окислителей и горючих. По существу, несмотря на огромный прогресс реактивной техники, наиболее часто применяются и сейчас только три жидких окислителя: жидкий кислород, азотная кислота и перекись водорода. Это исключительное постоянство, конечно, не случайно. Не просто предложить новые окислители, существенно превосходящие по сумме эксплуатационных свойств эту хорошо проверенную практикой тройку.

Легко видеть, что из трех названных окислителей наилучшим в отношении теплопроизводительности должен быть кислород. Действительно, ведь молекулы кислорода состоят только из атомов, обладающих окислительными

свойствами, тогда как в молекуле перекиси водорода на каждые два атома кислорода, обладающих окислительными свойствами, приходятся два атома водорода, имеющих, как известно, восстановительные свойства. Точно так же в молекуле азотной кислоты (HNOs) наряду с атомами кислорода имеются восстановительный атом водорода и инертный атом азота.

При реакции с одними и теми же горючими кислород, действительно, выделяет больше тепла, чем два других окислителя, и дает поэтому большую скорость истечения.

Но у кислорода наряду с рядом достоинств есть и один крупнейший недостаток — при нормальной температуре он представляет собой газ. Понятно, что применять газообразный кислород на ракете нельзя, ведь в этом случае пришлось бы его хранить под большим давлением в массивных баллонах — такая нагрузка ракете не под силу. Поэтому уже Циолковский, первым предложивший кислород в качестве компонента ракетного топлива, говорил о жидком кислороде. На жидком кислороде работал двигатель первой жидкостной советской ракеты, запущенной 17 августа 1933 г.

Чтобы превратить кислород в жидкость, его нужно охладить до температуры минус 183° С. Современная техника хорошо справляется с этим процессом сжижения кислорода и, как известно, жидкий кислород получил самое широкое применение в разных отраслях техники, в том числе и ракетной (заводы по производству жидкого кислорода в США выпускают его сотнями тонн в день). Это объясняется и практически неисчерпаемыми ресурсами атмосферного кислорода — при полном его сжижении он покрыл бы всю Землю слоем толщиной 2,2 м. Однако сжиженный кислород легко и быстро испаряется, даже если хранить его в специальных теплоизолированных сосудах. Поэтому нельзя, например, долго держать снаряженной, подготовленной к действию ракету, двигатель которой работает на жидком кислороде. Приходится заправлять кислородный бак такой ракеты непосредственно перед ее пуском. Ну, а как быть в тех случаях, когда на ракете должен сохраняться запас топлива, например, для посадки на планете — месте назначения — и обратного взлета с нее?



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм