СИЛА И СЛАБОСТЬ ХИМИИ 6


удивительно, что ему в последнее время уделяется за рубежом и повышенное внимание. Речь идет о верхних слоях земной атмосферы как практически неисчерпаемой кладовой активных химических веществ, которые могут служить превосходным ракетным топливом. Эти вещества образуются в результате взаимодействия атмосферы с коротковолновым излучением Солнца, т. е. они являются продуктами фотохимических реакций, идущих под действием этого излучения. Как было подтверждено с помощью ракетных исследований ионосферы, на высотах более 80—100 км молекулы кислорода, а затем и азота, диссоциируют, т. е. распадаются на составляющие их атомы. Такой распад, требующий затраты значительных количеств тепла, идет под действием жесткого, в особенности ультрафиолетового коротковолнового излучения Солнца. Образующиеся таким образом за счет аккумулирования солнечной энергии атомарные газы, кислород и азот, весьма активны химически и стремятся снова к слиянию в молекулы с выделением затраченной на диссоциацию энергии. Произведенные некоторыми зарубежными специалистами расчеты показывают, что количество запасенной таким образом в атмосфере химической энергии превосходит энергию всех известных запасов химического топлива на Земле. Однако на больших высотах воздух столь разрежен, что необходимые для процесса воссоединения, или рекомбинации, столкновения молекул происходят весьма редко, реже, чем диссоциация все новых молекул. В результате концентрация атомарных газов возрастает. Только ночью, когда нет источника процесса диссоциации, часть атомов рекомбинирует снова, образуя молекулы. Кстати сказать, именно этому процессу рекомбинации, сопровождающемуся выделением энергии, мы обязаны эффектом ночного свечения неба — полученную при столкновении с рекомбинирующими молекулами энергию другие атомы и молекулы отдают в виде света.

В 1956 г. в США были осуществлены первые попытки экспериментального доказательства возможности ускорения процесса рекомбинации атомарных газов ат-мосферы. Для этого с ракеты «Эроби», запущенной в ионосферу, на высоте около 90 км было выброшено примерно 9 кг вещества, являющегося катализатором, т. е. ускоряющим реакцию рекомбинации атомарного кио-

Лорода. Немедленно бсАеД за §ТйМ ё Ночйом небе образовалось быстрорастущее и яркое зеленовато-белое облако — начался бурный процесс рекомбинации.

Неудивительно возникновение мысли о возможности осуществления подобного каталитического процесса рекомбинации внутри двигателя ракеты с тем, чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию для создания движущей реактивной струи. Подобные предложения неоднократно высказывались как у нас в стране, так и за рубежом. Некоторые авторы, предлагающие идею использования фотохимической энергии, запасенной в атмосфере, называют двигатели такого рода хемосфер-ными, поскольку зону ионосферы с максимальной интенсивностью процесса диссоциации газов называют иногда хемосферой, другие предпочитают термин «ионосферные двигатели».

Принципиальное устройство хемосферного, или ионосферного, двигателя весьма просто. Он напоминает собой обычный сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель -— спереди через воздухозаборное отверстие в двигатель поступает атмосферный воздух с высокой концентрацией атомарных газов, сзади через сопло вытекает раскаленная струя рекомбинировавших молекул кислорода и азота. Место камеры сгорания этого двигателя, работающего без какого бы то ни было топлива, занимает рабочая камера рекомбинации, в которой помещен катализатор. В частности, в зарубежной печати указывалось, что одним из наилучших возможных катализаторов является золото — тонким слоем оно может покрывать стенки камеры и перегораживающую ее решетку. Впрочем, катализатор может оказаться и вовсе ненужным, так как в результате сжатия набегающего потока во входном воздухо-заборнике двигателя температура и давление в нем * по-высятся настолько, что рекомбинация пойдет сама по себе.

Однако, несмотря на внешнюю заманчивость этой идеи «бесплатного» энергопитания силовой установки летательного аппарата, практическая ее реализация весьма сомнительна, как это показывают произведенные рядом зарубежных ученых детальные расчеты. Как часто в технике такие расчеты хоронили самые, казалось бы, заманчивые проекты! Действительно, при полете с очень большими, например, орбитальными скоростями

такой двигатель будет обладать чрезмерно большим лобовым сопротивлением, в несколько раз превосходящим развиваемую им полезную тягу.

Чтобы тяга превосходила сопротивление, скорость полета должна быть относительно небольшой, примерно в 2—4 раза больше скорости звука, но тогда возникают трудности, связанные с созданием необходимой подъемной силы, т. е. удержанием летательного аппарата на данной высоте)- И хотя имеются сообщения о разработке в США экспериментальных образцов прямоточных двигателей, работающих на атмосферном атомарном кислороде), вряд ли этот источник энергоснабжения может сослужить сколько-нибудь серьезную службу космонавтике в отношении увеличения возможной идеальной скорости космических ракет (по расчету 1 м воздуха, проходящий через двигатель на высоте 100 км, приведет к высвобождению энергии в 1 ккал). Правда, для окончательного решения этой проблемы понадобится непосредственная экспериментальная проверка.

Но если число природных атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы не настолько велико, чтобы энергия их рекомбинации была достаточной для образования значительной реактивной силы, то нельзя ли этот процесс воспроизвести в двигателе искусственно? Имеет ли это смысл и как можно представить себе такой двигатель?

Естественно, что в общем случае мы не можем ограничиваться рассмотрением рекомбинации одних лишь атомов кислорода и азота, что имеет место в атмосфере. Должна быть изучена общая проблема использования в ракетных двигателях различных атомарных топлив, а также других химически-активных веществ, представляющих собой потенциальные, так называемые метастабиль-ные ракетные топлива. К числу таких топлив относятся вещества, носящие в химии общее название радикалов, т. е. электрически нейтральных неустойчивых осколков, продуктов распада обычных стабильных молекул. При создании из радикалов устойчивых молекул выделяется снова энергия химической связи, затраченная на разрушение молекул и образование радикалов. Эта энергия обычно весьма велика и намного превышает энергию известных

*) Missiles and Rockets, 11. V. 1959.

) Missiles and Rockets, 5. I. 1959.

BocmHOBHfeAbHo-oftMeAHfeAbHbix реакций, лежащих ш основе обычного сгорания топлив в двигателях. Поэтому-то интерес к возможностям использования в ракетных двигателях такого необычного топлива вполне обоснован.

Как велика энергия рекомбинации некоторых радикалов, видно из следующего. При рекомбинации атомов кислорода, которая, как указывалось выше, происходит в верхних слоях атмосферы, выделяется 3685 ккал/кг тепла, что соответствует теоретическому удельному импульсу 550 сек. При рекомбинации атомов азота соответствующие значения равны 8200 ккал/кг (по другим данным 8030 ккал/кг) и 820 сек. Рекордсменом среди атомарных газов оказывается, как и можно было ожидать, водород: при рекомбинации его атомов выделяется 52 300 ккал/кг тепла, что обеспечивает удельный импульс 2150 сек *). Эта величина, раза в четыре превосходящая наилучшие возможные значения для обычных ракетных топлив, не может не привлечь самого пристального внимания.

Для более тяжелых, многоатомных радикалов высвобождаемая при реакции химическая энергия может быть еще больше. Пожалуй, наиболее показателен пример, относящийся к обычному современному ракетному топливу— углеводородному горючему и кислороду. При их сгорании, как известно, выделяется примерно 2000 ккал тепла на каждый килограмм сгорающей топливной смеси. Если же реакция идет между радикалами этих веществ, то количество выделяющегося тепла возрастает до 55 000 ккал/кг)] Разумеется, величина удельного импульса, обеспечиваемая с помощью метастабильных топлив, в частности, атомарных газов, в огромной степени расширяет возможности космонавтики. За чем же дело стало, что мешает использовать свободные радикалы, скажем, тот же атомарный водород, в качестве ракетного топлива?

Может быть, неизвестны способы промышленного получения атомарного водорода? Нет, это не так. Атомарный водород может быть легко получен в больших количествах, и даже несколькими способами, например,

) Труды «Симпозиума по высотным и орбитальным ракетам», Аэронавтический колледж в Кренфилде, 18—20. VII. 1957; доклад Шеферда «Перспективы развития ракетных двигателей для полета вне атмосферы». По другим данным — даже до 2500 сек (Journal of British Interplanetary Society, 1961, 18, № 5—6).

) «Экономическая газета», 1. VIII. 1964.

е йоМбщью ядёрных излучений, электрического разряда S газообразном водороде и др. Этот последний метод используется, в частности, в хорошо изученном процессе атомно-водородной сварки. Тогда, может быть, неясны методы осуществления рекомбинации атомов водорода? И это не так, ибо хорошо известна весьма высокая химическая неустойчивость и активность атомарного во-** дорода. Собственно говоря, именно в ней и заключается

главное препятствие на пути к практическому использованию атомарного водорода в ракетной технике. Время существования свободных атомов водорода в нормальных условиях составляет ничтожные доли секунды— несколько микросекунд, т. е. он снова превращается в обычный молекулярный водород практически сразу же после диссоциации. Правда, при высокой температуре рекомбинирует в молекулы только часть атомов водорода и для увеличения этой части нужно повысить давление в двигателе. Но, например, при давлении 50 атм рекомбинирует уже 50% атомов, что приводит к повышению температуры до 5500 Кик величине удельного импульса порядка 1500 сек. Пусть это не максимальная величина в 2100 сек, о которой говорилось выше, но все же она почти в пять раз больше наилучших современных значений. Даже если верны данные о возможном удельном импульсе всего 1000 сек, то и тогда есть за что бороться!

Таким образом, единственная задача, с которой нужно справиться, чтобы ракетная техника получила в свое распоряжение такое теплопроизводительное топливо, как атомарный водород, — это научиться сохранять этот водород в атомарном состоянии до момента реакции рекомбинации в двигателе. Но вот эту-то задачу никак не удается разрешить — так ожесточенно рвутся друг к другу атомы водорода, стремясь образовать прочную молекулярную «семью». Собственно говоря, до последних лет не было даже никакой сколько-нибудь серьезной надежды на решение этой сложнейшей задачи. По существу, первый просвет появился только в 1954—1956 гг., когда в США были проведены опыты по замораживанию свободных ра-дикалов, сначала атомарного кислорода, а затем и атомарного азота и водорода*) на твердых поверхностях,

*) Missiles and Rockets, 12. IX. 1960.

охлажденных до температуры около 4° К. В этих опытах полученные в результате высокочастотного электрического разряда свободные радикалы быстро охлаждались с помощью жидкого гелия и оседали на кварцевых окошках вакуумированного сосуда в виде твердого стекловидного налета. По другим данным атомарный водород осаждался на охлаждаемом жидким гелием сапфировом стержне *).

Как только температура замороженных радикалов несколько повышалась, так сразу же происходила реакция рекомбинации, иногда носящая характер взрыва. Кстати сказать, в случае атомарного кислорода примерно 30% замороженных атомов при рекомбинации образовывали молекулы не кислорода, а озона). Не правда ли, интересная возможность получения озона, очень интересующего космонавтику?

Метод замораживания радикалов впервые позволил установить некоторые свойства атомарного водорода и других свободных радикалов. В частности, предположительно удельный вес твердого атомарного водорода еще намного (примерно в семь раз) ниже, чем даже у сверхлегкого жидкого водорода и равен примерно 0,02. Конечно, это огромный недостаток, если указанные сведения подтвердятся, но даже и он не сделал бы атомарный водород ненужным ракетной технике. Важнее другое — даже при столь низкотемпературном охлаждении удавалось получать очень невысокую концентрацию атомарного водорода^ в молекулярном — не более 1 % и даже десятых долей процента). Все эти трудности и недостатки атомарного водорода — необходимость в сверхглубоком охлаждении, малые концентрации, малый удельный вес, быстрая рекомбинация даже в замороженном состоянии, высокая температура при рекомбинации и др., привели к тому, что надежды на использование его в качестве ракетного топлива, несмотря на всю заманчивость, стали угасать.

Однако это не значит, что они оставлены вовсе. Исследования в этом направлении за рубежом продолжаются. И здесь стоит упомянуть о двух возможностях, указываемых зарубежной печатью в последнее время. Одна из

2\ rf‘ йитиР°ваннь1й выше доклад Шеферда.

iq I с /’ *1959; Journal of British Interplanetary Society, 1961.

I о, J№ э—6 и др.

) «Экономическая газета», 1. VHI. 1964,

них связана с надеждами включения замороженного атомарного водорода вместе с замороженным обычным молекулярным водородом в состав твердых топлив. Именно это имелось в виду, когда выше упоминалось об одной радикальной возможности улучшения твердых топлив. Естественно, что в замороженном твердом состоянии активность свободных радикалов снижена и именно это позволяет надеяться на то, что будут найдены способы введения атомарного водорода или других эффективных свободных радикалов в состав твердого топлива. И хотя первые попытки осуществления этого процесса закончились неудачей *), совсем недавно положение, вероятно, изменилось, если судить по полученному в США патенту на способ получения и хранения твердого атомарного водорода путем его стабилизации в тонком слое молекулярного водорода). Еще раньше обнадеживающими оказались аналогичные опыты с атомарным кислородом (получена концентрация до 16%)) и другими атомарными газами. Успешными были также проведенные в США опыты по улавливанию свободных радикалов при комнатной температуре в углероде, облучаемом в атомном реакторе нейтронным потоком). Предполагается, что такие радикалы смогут использоваться в качестве связок или добавок к горючим новых перспективных твердых ракетных топлив.

Еще более интересна, пожалуй, вторая возможность использования свободных радикалов, в частности, того ще атомарного водорода. Эта возможность основывается на квантовомеханических особенностях строения атомов и молекул. По известному квантовомеханическому принципу Паули состояния, при которых два электрона находятся на одном и том же квантовом уровне, невозможны. Еще в 1926 г. Гайтлер и Лондон показали, что в молекуле водорода, состоящей, как известно, из двух атомных ядер-протонов и двух электронов, электроны должны обязательно отличаться направлением так называемого спина, т. е. механического момента вращения. Если сталкиваются два атома водорода с параллельными спинами, т. е. имею-

*) Missiles and Rockets, 25. VII. 1960.

) Реферативный журнал «Авиационные и ракетные двигатели», VI, 1967, реф. 6.34.98.

) Missiles and Rockets, 26. I. 1959.

) Missile Design and Development, 1. X. I960,

щими одинаковое их направление, то они упруго отталкиваются друг от друга и не образуют молекулы. Только при столкновении атомов с антипараллельными электронными спинами образуется молекула. Но направление электронного спина характеризует магнитные свойства атома. Поэтому возникла идея воздействия с помощью внешнего магнитного поля напряженностью порядка 10 гаусс или даже 10 гаусс на поток атомов водорода с тем, чтобы разделить в нем атомы с разными электронными спинами с последующим осаждением обоих атомных пучков на твердой поверхности, охлажденной примерно до 'ГК). После этого достаточно было бы направить два потока разделенных таким образом атомов водорода в двигатель, чтобы в нем мгновенно произошла бурная рекомбинация. Правда, первые опыты с подобным разделением дали очень небольшой выход атомарного водорода, но зато подтвердили принципиальную правильность метода: соседние осажденные атомы уже не рекомбинировали, так как имели параллельные электронные спины.

Кстати сказать, аналогичное воздействие магнитного поля позволило США в промышленном масштабе превращать молекулы водорода с одинаковым направлением спина атомных ядер (так называемый ортоводород) в молекулы с антипараллельным ядерным спином (так называемый параводород). Для этого с помощью магнитного поля сначала молекула ортоводорода разрушалась, а образующиеся атомы сейчас же рекомбинировали с другими, образуя уже параводород. Это важно для улучшения условий хранения жидкого водорода, ибо происходящее сравнительно медленно самопроизвольное превращение ортоводорода в параводород связано с выделением тепла, которое должно отводиться при хранении).

Следует отметить, что образование радикалов и вообще неустойчивых, метастабильных химических частиц вовсе не обязательно связано с диссоциацией молекул на атомы. Теоретически возможно, например, получение ме-тастабильной молекулы так называемого гизона Нз, представляющего собой молекулярный аналог озона, или же метастабильных молекул гелия с водородом или

) В других источниках указывается температура 4—5° К (Journal of the British Interplanetary Society, 1961, 18, № 5—6).

) Missiles and Rockets, 17. VIII. 1959.

кислородом, хотя практически такие частицы еще rie получены.

Частицы с еще большим запасом внутренней энергии могут быть получены, например, путем электронного возбуждения обычных атомов, т. е. перевода их внешних электронов на более удаленные от ядра орбиты или полного отрыва электронов — ионизации с соответствующей затратой энергии (световой, электромагнитной или тепловой). Так, например, при электронном возбуждении атомов благородных газов неона и гелия затрачивается энергия соответственно 18 830 и 113170 ккал/кг, которая снова выделяется при переходе атомов в устойчивое состояние. Если эта энергия выделяется в виде тепла, то может быть получен удельный импульс при истечении газов из ракетного двигателя, равный соответственно 1260 и 3070 сек. Это, конечно, не может не заинтересовать ракетную технику. Преобразование так называемого ортогелия в парагелий, атомы которых различаются энергетической схемой электронных оболочек, может привести к выделению 120000 ккал/кг тепла со значением теоретического удельного импульса 3200 сек. Даже при небольших концентрациях такие метастабильные ракетные топлива позволили бы значительно превысить существующие значения удельного импульса.

Однако это пока еще только идеи. Как видно, возможности химических топлив существенно увеличиваются, когда на помощь химии приходит физика. Здесь непочатый край работы, научная целина...

В заключение упомянем, пожалуй, еще о некоторых принципиальных возможностях такого сотрудничества химии и физики на службе ракетной технике. Так, например, в случае твердых ракетных топлив принципиально возможно увеличить их удельный импульс путем аккумулирования в топливе дополнительной «физической» внутренней энергии вдобавок к обычной химической. Для этого можно облучить кристаллические компоненты топлива, например, нейтронным пучком в атомном реакторе). Секрет такого увеличения связан с некоторыми тонкостями теории строения твердого тела, сделавшей в последнее время большие успехи. Аккумулирование энергии при облучении может быть результатом упорядочения струк- *)

*) Missiles and Rockets, 12. II. 1959,

туры металлических веществ, что всегда связано с затратой энергии, выделяющейся снова при сгорании, или с другими аналогичными эффектами. Как показывает расчет, этими методами теплота реакции может быть увеличена, но не более, чем на 30% *).

Еще одна возможность связана с высказываемой за рубежом идеей использования в качестве химического ракетного топлива... космической пыли, заполняющей мировое пространство* 2). Предполагается, что эта пыль может сгорать в пульсирующем детонационном ракетном двигателе. Хотя плотность пыли исключительно мала, при большой скорости движения космической ракеты может быть получена определенная реактивная тяга. Интересно, что в последнее время проведены успешные эксперименты, подтверждающие принципиальную осуществимость двигателя с детонационным сгоранием).

Можно подвести некоторый итог произведенного выше смотра возможностей и ограничений химии на службе ракетной технике. Как видно, далеко не все ее возможности используются в настоящее время; еще имеются значительные неиспользованные ресурсы. Одни из них так и останутся, вероятно, теоретической возможностью, другие будут частично или полностью реализованы. Этим проблемам за рубежом уделяется большое внимание и, можно думать, усиленные исследования дадут свои плоды. Будут, вероятно, раскрыты и некоторые неизвестные сейчас методы увеличения удельного импульса химических ракетных двигателей). Эти двигатели всегда будут играть большую роль в космонавтике. И все же существенного увеличения удельного импульса, необходимого для осуществления все более сложных полетов человека в космос, химия дать не может. Здесь необходимы новые, радикальные решения, новые источники энергии, новые двигательные системы. Им и посвящены остальные главы книги.

*) American Rocket Society Journal, VIII, 1959.

) Missiles and Rockets, 21. VII. 1958.

®) Journal of Spacecraft and Rockets, VI, 1966, стр. 893.

) Некоторые зарубежные ученые считают, что к началу будущего столетия космонавтика будет располагать жидкостными ракетными двигателями с удельным импульсом 600—1000 сек (Реферативный журнал «Исследование космического пространства», I. 1968. реф. 1.62.442).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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