X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ракетное топливо для полёта на Марс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Актуальность проекта.
Полётына другие планеты, в том числе и на Марс, являются ближайшей перспективой освоения космоса. От правильного выбора ракетного топлива может зависеть успех всей экспедиции. Для этого необходимо выбрать наиболее удобное во всех отношениях топливо.
Цель работы.
Изучение химических веществ, применяемых в качестве космического ракетного топлива и выбрать из них наиболее оптимальный вариант для полета на Марс.
1.Классическое строение космической ракеты.
Ракета — летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды.
2.Ракетное топливо.
Ракетное топливо — одно или более высокоэнергетических веществ питания ракетного двигателя для создания им тяги. С развитием ракетной техники идет развитие новых видов ракетных двигателей.
Ракетное топливо, условно, может быть разделено на различные группы; в качестве основных групп обычно рассматриваются следующие:
1)Электрореактивные: электроэнергия и рабочие тела.
2)Ядерные: ядерное деление, синтез, распад изотопов.
3)Химические: химические реакции, реакции рекомбинации свободных радикалов.
4)Физические: потенциальная энергия сжатых газов.
2.1. Классификация ракетного топлива.
В процессе развития ракетостроения менялось и ракетное топливо, в результате сложилась следующая классификация, позволяющая увидеть исторические вехи покорения и исследования космического пространства.
Виды ракетного топлива:
химическое (твёрдое и жидкое);
ядерное;
термоядерное.
2.2. Химическое ракетное топливо.
Твёрдое ракетное топливо - твёрдое вещество или смесь отдельных веществ, способная гореть без доступа воздуха, выделяя при этом большое количество газообразного рабочего тела, нагретого до высокой температуры. Используется в твердотопливных ракетных двигателях для создания реактивной тяги.
Основные виды твердого ракетного топлива:
Дымный порох, он прост в получении, но имеет низкий удельный импульс, неравномерность горения, гигроскопичен, сложно получить шашки большого размера. При хранении шашек большого размера более 1-3 лет, происходит растрескивание шашки вследствие роста кристаллов селитры и изменения влажности шашки.
Гомогенное топливо, в данном виде топлива одни и те же молекулы одновременно играют роль топлива и окислителя, такое топливо практически всегда включает в себя нитроцеллюлозу. Поскольку увеличение толщины горящего свода свыше 10 мм для одноосновных топлив затрудняется из-за длительности удаления летучего растворителя из толстосводных пороховых шашек.
Наиболее распространённое гомогенное топливо - твёрдые коллоидные растворы (двухосновные топлива).
Смесевые твёрдые топлива (СТТ) представляют собой смесь твёрдых горючего и окислителя. Существует большое количество различных смесей пригодных для ракетостроения. Как правило все они создаются вокруг небольшого количества эффективных твёрдых окислителей, которые комбинируют с разнообразными горючими веществами.
Твердо-жидкое топливо
Известны ракетные двигатели, где горючее является твердым топливом, а окислитель жидким веществом и подается в камеру сгорания насосами по трубопроводам. Достоинствами такого топлива являются возможность управления тягой двигателя, достижение более высоких температур сгорания за счет охлаждения камеры жидким окислителем.
Жидкое ракетное топливо состоит из двух компонентов: окислителя и горючего, которые находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках. Смешивание их происходит в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, обычно с помощью форсунок.
Давление компонентов топлива создается за счет работы турбонасосной или вытеснительной системы, в работе которых также могут участвовать компоненты топливной пары. Кроме того, компоненты топлива используются для охлаждения сопла жидкостного ракетного двигателя.
Также применяются так называемые ракетные монотоплива, в которых и окислителем, и восстановителем является одно и то же вещество. При работе ракетного двигателя на монотопливе происходит химическая реакция самоокисления-самовосстановления с участием катализаторов, либо двигатель работает только за счёт фазового перехода вещества монотоплива, например переход из жидкого состояния в газообразное.
Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.
2.3.Ядерное ракетное топливо.
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла.
Виды ядерных двигателей:
Твердофазный ядерный ракетный двигатель (Является наиболее законченным. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.);
Жидкофазный ядерный ракетный двигатель (ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе);
Газофазный ядерный ракетный двигатель (в газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю);
Ядерный импульсный двигатель (в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов).
Изучая данный вопрос, я составила таблицу веществ, используемых в качестве космического ракетного топлива.
2.4. Сравнительная таблица.
|
Вещество и формула |
Роль в ракетной технике |
|
H₂O₂ Концентрированная перекись водорода H₂O₂. H2O2 -простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H2O2∙2H2O. Жидкое топливо. |
Концентрированная перекись водорода нашла широкое применение в ракетной технике. Происходит реакция разложения с выделением воды и водорода т.е разложение пероксида водорода- это процесс разделения молекулы воды на воду и кислород, так как концентрированная перекись непрочное соединение, уже при комнатной температуре на свету разлагается по реакции: t , hv 2Н2О2=2Н2О+ О2 Реакция ускоряется со прикосновением с катализаторами ( MnO2 , PbO2 и другие ). Как однокомпонентное топливо, чистый H2O2 разлагается на кислород и перегретый пар, имеющие температуру немного выше 1800F при отсутствии тепловых потерь. Обычно перекись используется в виде водного раствора, но при концентрации меньше 67% энергии разложения недостаточно для испарения всей воды. |
|
NaClO4 Перхлорат натрия химическое соединение NaClO4, натриевая соль хлорной кислоты. Сильный окислитель. При кристаллизации из водных растворов при температурах выше 51 градуса Цельсия выпадает безводная соль, ниже 51 градуса Цельсия моногидрат NaClO4·H2O, ниже −13 градусов — дигидрат. Как безводная соль, так и кристаллогидраты очень гигроскопичны, поэтому перхлорат натрия в основном используется как сырьё для получения других перхлоратов обменными реакциями. Твердое топливо |
Смесевое твердое ракетное топливо содержит окислитель - перхлорат калия или натрия, органическое горючее: сорбит или заполимеризованную эпоксидную смолу, и в качестве катализатора горения соль металла, содержащую нитрильную группу: цианид, или цианат, K4Fe(CN)6, K3Fe(CN)6, Na2FeNO(CN)5 или тиоцианат. Добавка катализатора ускоряет горение топлива, что приводит к снижению показателя степени в законе горения. Это стабилизирует горение топлива в диапазоне низких давлений 1-30 атм . 3NaClO4 + C6H12O6 → 6CO2 + 6H2O + 3 NaCl |
|
Дифторид OF2, Жидкий фторид кислорода неограниченно смешивается с жидкими озоном, фтором, кислородом. Плохо растворяется в холодной воде (примерно 7:100 по объёму). При этом достаточно хорошо растворяет воздух. Молекула обладает слабым дипольным моментом, равным 0,3 Д. FNO3, перхлорат фтора FClO Бесцветный газ со сладковатым запахом, плохо растворимый в воде и нерастворимый во фтороводороде. Относительно легко сжижается, примерно, как хлор или аммиак — давление насыщенного пара при 20 градусах Цельсия около 10,5 атмосфер. Умеренно токсичен. Обладает высоким для газов значением диэлектрической проницаемости. Жидкое топливо |
Соединения фтора в ракетной технике — это многочисленная группа химических веществ, содержащих в своём составе атом фтора, которые применимы в ракетной технике в качестве ракетного окислителя для жидкостных реактивных двигателей. Экологически опасны, поэтому применение ограничилось экспериментальной отработкой в середине XX века. В СССР эксперименты велись на НПО Энергомаш.[2] Все фториды кислорода обладают сильной окислительной способностью. Дифторид кислорода, OF2 — бесцветный газ с резким специфическим запахом, сильно токсичен; плотность 1,521 г/см3 при — 145°С, tпл — 224°С, tkип — 145°С. OFa медленно разлагается на элементы при температуре около 200°С. Чистый дифторид кислорода не взрывается. Слабо растворяется в воде, подвергаясь гидролизу. Жидкий OF2 неограниченно растворим в жидких фторе, кислороде и озоне. По химическим свойствам OF2 — сильный окислитель; он фторирует металлы при слабом нагревании; с водой, водородом, галогенами реагирует со взрывом при инициировании искрой или при нагревании. OF2 получается фторированием водного раствора едких натра или кали: 2F2 + 2NaOH = OF2 + 2NaF + H2O, а также электролизом водного раствора HF. Топливо электрореактивного типа. Относится к жидкому топливу. |
|
Нитрометан СН 3 NO 2 Ограниченно растворим в воде — 10,5 г на 100 г воды, и растворяет 1,93 г воды в 100 г нитрометана, смешивается с обычными органическими растворителями; образует азеотропную смесь с водой (76,4 % нитрометана, tкип=83,6 °C). Не растворяется в предельных углеводородах. Максимальная температура горения 2177 °C при дефлаграции - реакции взрывного горения: Жидкое топливо. |
Нитрометан может быть использован как монотопливо, то есть топливо, способное гореть в отсутствие кислорода. В числе продуктов сгорания могут быть угарный и углекислый газ, вода, молекулярный азот и оксиды азота. Уравнение этой реакции может быть представлено как: 4 СН 3 NO 2 + 3 O 2 → 4 СО 2 + 6 Н 2 О + 2 Н Относится к жидкому топливу, в ракетной технике используется как горючее . |
|
Бороводороды пентаборан(B5H9) борогидридов NaBH4 и KBH4 Бороводороды — чрезвычайно ядовитые вещества, имеющие помимо общетоксической составляющей также особое, но довольно сильно выраженное нервнопаралитическое воздействие на человека и животных. Диборан обладает удушающим действием, подобно фосгену. Пентабораны и декабораны действуют на центральную нервную систему, почки и печень. Предельно допустимая концентрация в воздухе (США): диборан — 0,1 мг/м3; пентаборан(9) и пентаборан(11) — 0,01 мг/м3; декаборан(16) — 0,03 мг/м3. Жидкое топливо. |
Наиболее удобен для синтеза и применения пентаборан(9) (B5H9). Остальные бороводороды интенсивно изучаются, но их применение в настоящее время ограничено. Видами топлива, производными от бора, являются пропилпентаборан (US: BEF-2) и этилпентаборан (US: BEF- Возможно применение борогидридов |
|
Жидкий водород (H2) - жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью − 0,07 г/см³, и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 °C) Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Жидкое топливо. |
Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. 2H2 + O2 => 2H2O. эта реакция является экзотермической, то есть помимо воды она выделяет некоторое количества тепла, которое можно использовать для приведения в движение машин и ракет, а также для его перевода в другие источники энергии, например, в электричество В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день. При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности - всего 7 градусов Цельсия, что создает определенные трудности при хранении. |
|
Ура́н U — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса — 238,029; относится к семейству актиноидов. Уран — слабо радиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. |
Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления. |
2.5.Лабораторная работа по расчету количества теплоты сгорания водорода.
Цель: Расчет количества теплоты сгорания жидкого водорода при температуре – 253 °с .
Ход работы:
|
Дано : |
СИ |
Анализ |
|
ρ(H2)= 0.07 q(H2)=120 m(H2)=72 m(H2)=1 л |
‒ 120000000 ‒ ‒ Дж |
Ρ=; Q= q m |
|
Q(H2)- ? |
Решение
Q(H2)= 120000000 ×72=8640000000Дж
V(H2)= 72/0.07
3) 2H2 + O2 => 2H2O +8640000000Дж
Вывод: Химическая реакция соединения протекает под высоким давлением и и протекает с выделением большого количества теплоты т.е экзотермическая.
Все изученные мной и указанные выше вещества взрывоопасны и требуют мер предосторожности, которые следует соблюдать не только на Земле но и на Марсе. Исходя из этого, я сделала вывод , что для того, чтобы правильно подобрать ракетное топливо для полёта на Марс и соблюсти все правила безопасного их использования, необходимо изучить не только Земные, условия в полёте до Марса, но и условия на планете Марс , так как они могут сильно отличаться от земных как и меры предосторожности в марсианских условиях с ракетным топливом. Только после всестороннего изучения данного вопроса можно делать окончательный выбор топлива для межпланетной ракеты.
3.Особенности полета на Марс.
3.1.Орбита Земли. Пояса Ван Аллена.
Радиационные пояса земли – внутренние области земной магнитосферы , в которой магнитное поле земли удерживает заряженные частицы ( электроны во внешнем радиационном поясе, и протоны во внутреннем, а также альфа частицы).
Выходу частиц из радиационных поясов Земли препятствует особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля ,создающего для них магнитную ловушку . Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E < Екр, которые всё-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата.
В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов). Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид, в котором выделяются две области: внутренний и внешний .
Исходя из выше изложенного я сделала вывод что совершая полет на Марс , ракета будет пролетать через орбиту Земли в обязательном порядке . И поэтому в ходе исследования я выяснила что на орбите Земли есть безопасная зона полетов. Потому, что внешний и внутренний радиационные пояса радиоактивны, так как альфа излучение и протоны опасны как для человека так и для космических ракет. Протоны могут вступить в ядерную реакцию превращения в нейтроны .
P ꞊ n+e +ν, где P-протон, n-нейтрон, ν-антинейтрино.
3.2. Марсианские условия.
Климат. Он малоблагоприятен для земной жизни, однако наиболее близок к существующему на Земле среди планет Солнечной системы.
Предположительно в прошлом климат Марса мог быть более тёплым и влажным, а на поверхности присутствовала жидкая вода и даже шли дожди. Средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле: −63 °С. Поскольку атмосфера Марса сильно разрежена, она плохо сглаживает суточные колебания температуры поверхности. При наиболее благоприятных условиях летом на дневной половине планеты воздух прогревается до 20 °С (а на экваторе — до +27 °C) — вполне приемлемая температура для жителей Земли. Максимальная температура воздуха, зафиксированная марсоходом «Спирит», составила +35 °C[2]. Но зимней ночью мороз может достигать даже на экваторе от −80 °C до −125 °С, а на полюсах ночная температура может падать до −143 °C[3][4]. На Марсе существуют температурные оазисы, в районах «озера» Феникс (плато Солнца) и земли Ноя перепад температур составляет от −53 °С до +22 °С летом и от −103 °С до −43 °С зимой.
Атмосферное давление.Атмосфера Марса более разрежена, чем воздушная оболочка Земли, и более чем на 95 % состоит из углекислого газа, а содержание кислорода и воды составляет доли процента. Среднее давление атмосферы у поверхности составляет в среднем 0,6 кПа ,что в 160 меньше земного или равно земному на высоте почти 35 км от поверхности Земли. Атмосферное давление претерпевает сильные суточные и сезонные изменения.
Бури и смерчи.Характерная особенность атмосферы Марса — постоянное присутствие пыли, частицы которой имеют размер порядка 1,5 мкм и состоят в основном из оксида железа. Малая сила тяжести позволяет даже разреженным потокам воздуха поднимать огромные облака пыли на высоту до 50 км. А ветры, являющиеся одним из проявлений перепада температур, часто дуют над поверхностью планеты (особенно в конце весны — начале лета в южном полушарии, когда разница температур между полушариями особенно резкая), и их скорость доходит до 100 м/с. Таким образом формируются обширные пылевые бури, давно наблюдаемые в виде отдельных желтых облаков, а иногда в виде сплошной жёлтой пелены, охватывающей всю планету. Чаще всего пылевые бури возникают вблизи полярных шапок, их продолжительность может достигать 50–100 суток. Слабая жёлтая мгла в атмосфере, как правило, наблюдается после крупных пылевых бурь и без труда обнаруживается фотометрическими и поляриметрическими методами.
Жидкая вода.
Для стабильного существования чистой воды в жидком состоянии температура и парциальное давление водяного пара в атмосфере должны быть выше тройной точки на фазовой диаграмме, тогда как сейчас они далеки от соответствующих значений
Времена года. Как и на Земле, на Марсе происходит смена времён года из-за наклона оси вращения к плоскости орбиты, поэтому зимой в северном полушарии полярная шапка растёт, а в южном почти исчезает, а через полгода полушария меняются местами. При этом из-за достаточно большого эксцентриситета орбиты планеты в перигелии (зимнее солнцестояние в северном полушарии) она получает до 40 % больше солнечного излучения, чем в афелии, и в северном полушарии зима короткая и относительно умеренная, а лето длинное, но прохладное, в южном же наоборот — лето короткое и относительно теплое, а зима длинная и холодная. В связи с этим южная шапка зимой разрастается до половины расстояния полюс-экватор, а северная — только до трети. Когда на одном из полюсов наступает лето, углекислый газ из соответствующей полярной шапки испаряется и поступает в атмосферу; ветры переносят его к противоположной шапке, где он снова замерзает. Таким образом происходит круговорот углекислого газа, который наряду с разными размерами полярных шапок вызывает изменение давления атмосферы Марса по мере его обращения вокруг Солнца. За счёт того, что зимой до 20–30 % всей атмосферы замерзает в полярной шапке, давление в соответствующей области падает.
4.Вывод.
1)Пероксид водорода в условиях Марса будет наиболее оптимален ведь он начинает реагировать лишь в контакте с солнечными лучами.
2)Нитрометан имеет преимущество, т.к способен гореть без кислорода и на Марсе будет менее взрывоопасен, т.к продуктами горения является СО 2 углекислый газ, из которого состоит атмосфера Марса .
3) Боргидриды и бороводороды имеют следующие преимущества
Приемлемая скорость процесса;
Возможность протекания процесса при низкой, и отрицательной температуре;
Используемые растворы борогидридов не горючи и стабильны, что достигается подщелачиванием;
Образование нетоксичных продуктов H2O и NaBO2 (KBO2);
Борат может быть регенерирован (переработан в борогидрид);
Образование водорода высокой чистоты;
Контролируемая подбором катализаторов скорость реакции.
4)перхлорат натрия является сильным окислителем и очень взрывоопасен
5)дифторид OF2 FNO3, перхлорат фтора FClO является сильными окислителеми .Очень взрывоопасны и токсичны.
6)Жидкий водород (H2) имеет нетоксичные продукты реакции , но его очень тяжело добыть в нужных количествах
7) уран не нужно добывать в очень больших количествах, что является его преимуществом.
Изучив всю выше изложенную информацию я убедилась, что жидкое химическое ракетное топливо действительно не подходит для полетов на Марс, его большой расход и высокая себестоимость, плюс низкая скорость полёта ракеты, приведет к тому, что полёт будет не только очень дорогим, но и длительным, что является очень большим недостатком, пожалуй самым главным из всех перечисленных.
Учёные считают, что наиболее перспективным, в настоящее время, для полетов на Марс является урановое топливо. Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления. Данное топливо экономично, для полёта оно не требуется в больших объёмах, обеспечивает высокую скорость полёта. Учитывая условия Марса Уран наиболее безопасен в использование, так как он не будет вступать в реакцию с газами в его атмосфере и не будет реагировать на постоянные скачки температур.
Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.
Список литературы
1. wikipedia.org ›
2. xumuk.ru› Советская энциклопедия›2960.html
3. dic.academic.ru› dic.nsf /ruwiki/901631
4. himya.ru›kisloroda-ftoridy.html
5. chemdb.net›ru/compound/KwjRjnERNm/
6. chem21.info›info/1348101/
7. FB.ru›article/297508/jidkiy-vodorod-svoystva-i…
8. kartaslov.ru›карта-знаний
9. Энциклопедия для детей Аванта . Космонавтика 2е издание испр/ред.коллегия М. Аксенова. Е. Ананьева. В. Чеснов.Мир энциклопедий АвантаАстрель2009-448 с .ил.
10. https://sovkos.ru/cosmicheskie-apparaty/yadernye-raketnye-dvigateli.html