Бихте ли могли да ми предоставите теоретично разглеждане на следния въпрос относно ракетните двигатели:
Отскокливост на горещите молекули от стените на студената повърхност на соплото.
Примерно водните молекули. Знаем, че при горене водородът и кислородът създават температура над 20 000ºC. Няма метал или сплав, които да издържат такава температура (волфрамът~3500ºC). И бензинът при пълно изгаряне създава по-висока температура от точката на топене на който и да е материал. Двигателите с вътрешно горене не се разтапят(обикновено), защото голяма част от сместа, която постъпва в тях е негорима (негоримите газове охлаждат) и има охлаждане от околната среда. Горелките пък изхвърлят горещите реагенти преди да са отдали температурата си на стените на горивната камера.
За да добият максималната транслационна (от трептенето на атомите в новополучената молекула) кинетична енергия, молекулите в ракетния двигател трябва да отскочат от повърхността на соплото. /Ако се допусне такова развиване на транслационната кинетична енергия в горивната камера, е ясно какво ще стане. Ако реактивите не развиват висока температура, може да не се запали или гръмне./
В космоса соплото може да отделя енергия само чрез лъчение, ако не се охлажда например с негорим газ, който обаче ще натежи на ракетата. Би трябвало соплото бързо да надвиши температурата на топене на материалите от които е изградено.
Но ако газовете постъпват косо, както е, то няма да бъде развита много голяма температура, за да се стопи соплото. В такъв случай обаче се губи енергия. Молекулите отнасят до голяма степен в себе си енергията чрез трептенето на реагиралите атоми в тях. Това трептене впоследствие бива отдавано като лъчение.
Какъв процент от импулсът на частиците се губи от недобре отскочили молекули?
Знаем за конденза на водните пари върху студени повърхности. Достатъчно е човек да лъхне върху студено стъкло и парите залепват за стъклото като водни капчици. Има ли теоретични разсъждения до каква степен импулсът на молекулите би се “изгубил” (предал на частиците на повърхността на студеното сопло) за ускоряването на ракетата?
Доколко тук може да се отнесат опитите на Ръдърфорд, при които ускорени частици (доста над 5000м/с) почти не се отразяват от метално фолио, а минават през него или остават в него?
За да отскочи молекулата с максималния си импулс, стените от които отскача трябва да са с температура, съответстваща на температурата на горене на газа. При ракетните двигатели не е така. “Губи” се импулс за ускоряване. Въпросът е до каква степен.
Ако се използват ядрени реактори (т.е.съдът дава температурата, а не газа; / външно загряване) за загряването на водородни молекули или атоми, по мои сметки може да се достигнат скорости като тези при химическите реакции. Визирам това, че водородните молекули са много по-леки от водните например, което обуславя по-големи транслационни скорости при една и съща температура. Горната граница на скоростта на тези молекули се обуславя от температурата на механична и радиационна (а дори хим.) издръжливост на познатите ни материали. За жалост тя никак няма да е тази на топене на волфрама. Ако чрез някакви рефлектори може да се концентрира топлинното лъчение от по-студения реактор върху отделно волфрамово сопло, това е друг въпрос.
..............................................................
По резюмиран въпросът ми би изглеждал така:
Как изглежда графиката на скоростите на отскачане на молекулите при разлика на температурата на газа и на повърхността на отскачане? Мисля че тук се намесват големината на частиците и здравината на кристалите на повърхността.
При по-горещи молекули, обаче едва ли биха играли роля връзките в кристалите. Атомите няма да могат да пружинират при удар.
.................
Средно при колко отскачания гореща молекула би превърнала почти напълно енергията си на трептене (~Еp+Ek~) в транслационно движение?
Допълнение като насочващо разсъжденията по въпроса:
Отношението на скоростите на излитане на молекулите, теоретична към реална, може да се даде като корен квадратен от отношението на температурите, теоретична към реална.
Примерно ако пълното изгаряне на водород и кислород дава 21000ºC, а горещите молекули отскачат от повърхността на “студеното” сопло с транслационна скорост, отговаряща на 7000ºC. То загубата на импулс (скорост) би била √21000/√7000≈1,7
Това прави по-малко от 60% от импулса на частиците.
Доколкото аз знам при някои ракети го дават много по-голям.
Ако се тръгне по обратен път може да се отговори на въпроса, който ви питам, но аз се съмнявам във високото КПД (90+%) на някои реактивни двигатели. Като говорим за КПД при ракетите, не го отчитаме за енергия, а за импулс.
Всичко зависи от тези условни 7000ºC. Интересно е при втори удар в соплото дали скоростта на молекулата ще спадне или ще се реализира още от трептеливото движение вътре в нея, т.е. дали ще се забави или ускори (средно за всички молекули).
Дадох ви пример при кондеза на водата, че разлика в температурите само от няколко десетки келвина между твърдото тяло и газа, води до осезаемо забавяне на молекулите на газа.
............................................
Двигателите с вътрешно горене имат доста по-ниско КПД, но там нещата са по-различни и се гледа енергията на частиците.
С уважения!
Это сообщение редактировалось 09.05.2006 в 08:04