Новое топливо для космоса

Прочитайте эту статью.Решение многих проблем может быть рядом.

Статья из журнала «Авиация и космонавтика» №8 1991

"НАУКА — КОСМОНАВТИКЕ
В КОСМОС НА ПАРОЛЕТЕ
А. КУЛИКОВ, доктор технических наук
Идея использования в ракетно-космической технике нового источника энергии возникла неожиданно в процессе изучения свойств карбокорундовых огнеупоров, применяемых в тепловых агрегатах стекольной промышленности, при их взаимодействии с расплавами силикатов щелочных металлов. Результаты работы опубликованы в 1984 году в журнале «Известия АН СССР. Неорганические материалы» (т. 20, № 1).
Оказалось, что протекающие реакции носят цепной характер и сопровождаются значительным выделением тепла. Например, при расщеплении 1 кг силиката Nа2О • 3SiO2 выделится приблизительно 8,5 Мккал, что в тысячу раз больше, чем при сгорании 1 кг керосина.
Рабочим веществом в таком физико-химическом реакторе должны служить высокомодульные силикаты, а кремнийбескислородные соединения — инициировать цепную реакцию. Применять необходимо силикаты вида М2О • еSiO2, где М — щелочной металл (Nа, К), а е=3; 4 соответственно.
Запускают реакцию соединения типа SiR, где R — углерод или азот. Упомянутый Na2O• ЗSiO2, известный как силикат-глыба, выпускается отечественной промышленностью в количестве около 1,5 млн. т в год по цене менее 100 руб. за тонну. Образуется он из соды и песка. При этом затрачивается энергии примерно в 2,5 тыс. раз меньше того ее количества, что выделяется затем в процессе цепной реакции.
Как же происходит распад вещества в предлагаемом физико-химическом реакторе? Вначале требуется подвести энергию, необходимую для расплавления части силиката. После этого расход тепла не нужен, так как в контакте с кремнийбескислородным веществом начнется химическая реакция с выделением тепла, что приведет к расплавлению все большего количества силиката. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока масса реагента в жидкой фазе не станет равной критической. С этого момента начинается цепная реакция, сопровождаемая лавинообразным выделением энергии. Если не управлять этим процессом, то после расплавления всей массы может произойти взрыв (такое случалось на металлургических предприятиях).
Как выйти из положения? Выше уже говорилось, что для инициирования и поддержания цепной реакции требуется кремнийбескислородное соединение, например карбид кремния — твердое, тугоплавкое вещество. Именно оно в виде стержней, вводимых в зону расплавленного силиката, определяет скорость распада. При вдвигании стержней в реактор она увеличивается, растет и тепловыделение, при выдвигании — уменьшается. Таким образом, эти стержни будут поддерживать баланс выделяющегося и потребляемого тепла, что предотвратит взрыв и обеспечит необходимую мощность энергоустановки.
Вот такой представляется схема нового эффективного источника тепловой энергии. Он особенно выгоден для транспортных средств, так как здесь очень важно, чтобы доля полезного груза в общей массе была как можно больше. Поэтому чем легче энергетическая -установка (вместе с рабочим телом), тем лучше. Даже паровоз может получить вторую жизнь: никаких вредных выбросов, энергия, выделяемая при распаде силиката, почти в тысячу раз больше, чем у угля. Такому локомотиву нужно только заправляться водой да изредка менять активную зону реактора. При этом пар может толкать поршень, а может вращать турбину.
Но паровозу надо возить воду с собой, а пароход, самолет или дирижабль используют в качестве рабочего тела окружающую среду: воду, воздух. Им нужен только источник энергии. Примененный в таких транспортных средствах новый реактор приведет к революционным преобразованиям. Кроме всего, это будут экологически чистые средства передвижения. Однако, если предлагаемая энергоустановка выгодна для паровоза, почему ее не установить на ракете?
Представим себе в качестве рабочего тела ту же воду. Она из ракетного бака прокачивается через каналы в разогретом реакторе и при высоких давлении и температуре выбрасывается из сопла, создавая тягу. Ракета-носитель с такой двигательной установкой может оказаться более легкой, чем с жидкостным ракетным двигателем. За счет чего? За счет экономии в массе конструкции. Для воды нужен бак емкостью почти в 15 раз меньше, чем для водорода, и в 1,5 раза меньше, чем для керосина. О величине удельного импульса пока говорить рано, но температура в камере сгорания зависит от вида силиката. Скажем, для силикат-глыбы она может составлять около полутора тысяч градусов, для других видов — больше, но в настоящее время их производят в малых количествах — нет потребности.
Относительная эффективность предлагаемой системы может быть выше вследствие действия закона сдвига энергии Гиббса. Из него, в частности, следует, что кислород и водород могут прореагировать друг с другом лишь примерно на 60 процентов.
А стоимость? Каждому ясно, что цена воды несравненно меньше, чем любых компонентов ракетного топлива, особенно сжиженных газов.
Исключаются и многие эксплуатационные проблемы. Рабочее тело пожаро- и взрывобезопасно, безвредно. Если сравнивать с токсичными веществами, то преимущества еще более очевидны. Несомненно и гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду во время полета. С предлагаемой ракетой нельзя сравнить даже носители с двигателями на кислороде и керосине, при работе которых образуются углекислый и угарный газы и масса примесей.
Немаловажно и то, что при использовании возвращаемых ступеней достаточно просто достигается регенерация вещества активной зоны. В результате вновь получается высокомодульный силикат. Безотходная технология значительно снижает стоимость энергоустановки. Эти и многие другие преимущества может дать использование в космической технике нового источника энергии.
Разумеется, нужны совместные усилия ученых и практиков из разных областей науки и техники по созданию работоспособной и надежной двигательной установки будущего. Заинтересованные организации уже есть. Нужны практические шаги."

Было уже. Дас ист чушь.

НЕВОЗМОЖНО получить при химической реакции больше энергии, чем энергия связи результирующего химического вещества.

Из топливных пар, которые ДО и ПОСЛЕ реакции стабильны - максимальная энергия связи к массе - у пары кислород-водород, или фтор-бериллий, если не зацикливаться на экологии. У керосин - кислорода - этот показатель меньше всего в 2 раза. Таким образом, не то что в sqrt(1000) = 33 - и в 3 раза поднять УИ не получится.

Единственный обходной путь повысить УИ - это тащить с собой топливо либо окислитель, а другую топливную компоненту брать снаружи, и использовать как топливную компоненту, и одновременно как рабочее тело. Тогда можно получить высокий УИ - но нужна атмосфера со всеми ее недостатками.

Не обязательно "топливную компоненту", можно просто некое рабочее тело брать снаружи.

Можно. Но если у нас не ядерный двигатель - то выгодно использовать рабочее тело и в качестве одной из топливных компонент - тогда его не надо с собой тащить и масса вдвое падает, а УИ во столько же раз растет

Мда, ну и лажа, однако... Похоже товарищь стороны уровнения перепутал

hcube>и масса вдвое падает, а УИ во столько же раз растет
Почему "вдвое"? для пары кислород/водород все восемь будет...

И ещё можно топливо с собой вообще не тащить, а получать энергию извне
Или более полно использовать выделяемую энергию (Нам ведь не УИ нужен, а груз на орбите, а в тонне топлива энергии достаточно для выведения тонны груза на орбиту)

Dem_anywhere>Мда, ну и лажа, однако... Похоже товарищь стороны уровнения перепутал
Я тоже давно когда то читал про силикат-глыбу в (технике и вооружении) кажется. Совершенно согласен , что это утка , потому , химическая энергия , ограничена , разницей энергий связи электронов веществ - реагентов , а указанная величина энерговыделения превышает значения разницы для указанных реагентов и продуктов.
Сама тема высокоэнергичных топлив интересна .
Например , топливо содержащее свободные радикалы , и т.п. предлагаю обсудить.

Топлива на свободных радикалах, озоне, или скажем металическом водороде - очень хороши Одна беда - они, гады, рекомбинируют молниеносно И иногда даже со взрывом ).

А если с водородом, какой будет УИ? И можно ли использовать эту смесь в модифицированном РД-0120?

Зато при данном взлетном весе водород дает 3-4 кратный выигрыш в массе ПН, а БОЛЬШУЮ ПН - более 100 тонн вообще нереально вывести без водорода. Да и... Дельта 4 ведь летает? И Атлас летает, с Центавром. Так что не все так плохо

Ник, почему озон не используют, в таком случае? Его исследовали более 40 лет назад...

А почему собственно метан ? Гораздо энергичнее с озоно-кислородом будет гореть гидрид бора , например диборан , его и хранить легче и плотность лучше Или гидразин можно как топливо взять. Все равно ведь на нем летают , хоть и ядовитый он , зато гидразин - дешевый.
А свободные радикалы можно в верхних слоях атмосферы взять , они там и так имеются , нужен только воздухозаборник хорошо охлаждаемый сделать . Охлаждать тем же кислородом , например.

Сжиженный озон взрывоопасен. Именно по этому и предлагают использовать раствор озона в кислороде.
Интересно, а озон создаёт раствор бесконечной растворимости?

Про бор с кислородом - забудьте, в процессе горения образуются высококипящие оксиды, и сопло ракеты забъётся этой гадостью.

Дибoрaн ядoвитый и дoрoгoй.
Мoжнo пoпрoбoвaть гидрид aлюминия или нaтрия, взвешенный в жидкoм вoдoрoде, или чтo-тo типa геля нa oснoве метaллoв и жидкoгo вoдoрoдa . Метaлл увеличит плoтнoсть , вoзмoжнo пoнизит темперaтуру испaрения и пoвысит темперaтуру сгoрaния.

... и забьёт сопло твёрдыми оксидами. Не выйдет ребята. Особенно в свете того что самые энергоэффективные металлы (скажем Беррилий) даже в виде оксидов очень ядовиты.
Насчёт геля из гидридов не знаю (они все очень химически активны, и как будет вести себя такой "коктейль" - ещё вопрос), а что сделать взвесь из тонкодисперсного металла в жидкости можно - это факт.

У меня такая мысля возникла... Основной недостаток ЭРД - высокая потребляемая мощность, которую неоткуда взять...
С солнечных батарей выход порядка полукиловатта с м2, а реакторы на орбиту возить не дают...
А если от топливных элементов (кислород-что_угодно) их запитать - то выигрыш по КПД будет?

hcube>Зато при данном взлетном весе водород дает 3-4 кратный выигрыш в массе ПН
а смысл стремится к минимальному взлётному весу? Стоимость кислород-керосинового топлива даже при нынешних ценах на нефть - доли процента от стоимости запуска...

digger>Мoжнo пoпрoбoвaть гидрид aлюминия или нaтрия
Лучше - гидрид углерода

Гидрид углерода - это метан Он очень хорош , не спорю Однако требует большее количество окислителя , чем гидрид бора , а энерговыделение на один моль реагентов выше.
Насчет того , что диборан забьет , форсунки то это зависит от конструкции форсунки
То что бороводороды дороги и ядовиты - согласен.
Гидрид алюминия - твердое вещество , поэтому в ЖРД его вводят в виде суспензии , гидрид алюминия не очень химически активное вещество в восстановительной среде , он будет удобен.
Гелевую суспензию подавать в КС реально не сложно , меняется конструкция ТНА и все.
Эффективнее всего гидрид алюминия в сочетании с перекисью водорода или азотной кислотой , за счет восстановления воды до водорода.
К окислителю озон+кислород лучшее по энергетике топливо - гидразин. Он дешев , мол. масса продуктов , удовлетворительна и дополнительно дает энергию при разложении. Единственно , что ядовитый - зараза

RSR13

потому , химическая энергия , ограничена , разницей энергий связи электронов веществ - реагентов , а указанная величина энерговыделения превышает значения разницы для указанных реагентов и продуктов.

 

Строго говоря, "энерговооруженность" вещества может быть и больше суммарной разницы энергий химсвязи - за счёт, например, механических напряжений болванки. Разница, конечно, невелика, но тем не менее в 60-х такие варианты рассматривались для применения в ракетной технике.

>Гидрид углерода - это метан Он очень хорош , не спорю Однако требует большее количество окислителя , чем гидрид бора , а энерговыделение на один моль реагентов выше.

А если углерод не сжигать? Т.е. СН4 + О2 -> 2 Н2О + С
Сколько там в результате получится?

Встречал как просто под давлением вспенили типа монтажной пены или парафина в кислороде- задешево получилось когда застыло по показателям на уровне самых сложных и высокотехнологичных твердых топлив. Пару парафин-жидкий кислород сейчас активно испытывают - вроде выыгрыш за счет компактности и плотности.
А очень давно США рассматривали возможность хранения антипротонов в жидком(или твердом?) водороде -некий процент их мог здорово повысить...

вантох>Встречал как просто под давлением вспенили типа монтажной пены или парафина в кислороде- задешево получилось когда застыло по показателям на уровне самых сложных и высокотехнологичных твердых топлив.

Этот миф постоянно циркулирует в околоракетных кругах, причём не только у нас, но и в Штатах.

А в технике безопасности по работе со сжатым кислородом написано, что все шланги должны быть абсолютно чистыми, потому что даже следы смазки приводят к взрыву. Так что пытаться дуть кислород под давлением в какую-то органику может только претендент на премию Дарвина. Причём он её получит со 100%-ной вероятностью.

Даже если это не учитывать, то чтобы получить показатели на уровне твёрдых топлив, нужно увеличить плотность кислорода в 1000 раз, а для этого нужно больше 1000 атмосфер. Никакая пена это не выдержит.