Ракетное топливо
advertisement
Ракетное топливо Область: Химия. Расчет теплового эффекта реакции, стехиометрические соотношения, расчет равновесий. Немного истории. Говорят, что первые фейерверки появились еще до н.э. в Китае. Столь раннее появление фейерверков в Поднебесной было связано с открытием дымного пороха – смеси, которая, сгорает с выделением большого количества тепла и газов Безусловно, изготовители первых фейерверков много экспериментировали с подобными смесями в попытках найти наилучшие компоненты и состав. Совсем как автор этого видео: http://www.youtube.com/watch?v=yUYxk­y­tU8 И ему вполне удается запустить самодельную ракету­бутылку далеко в небо! Но что делать, если перед вами стоит задача не просто запустить бутылку, а вывести человека в космос или разработать межконтинентальные баллистические ракеты, поражающие цель с высокой точностью? Одно дело – бутылка, и совсем другое – ракета, масса которой может достигать сотни или даже тысячи тонн. Лишь примерно 1/30 этой массы будет полезной нагрузкой, остальное – необходимое для запуска ракеты топливо. Пороха в таком случае, конечно, недостаточно. Используются топливные смеси с как можно более высоким тепловыделением на единицу массы, которое вам и предстоит оценить в задаче на примере наиболее перспективных видов ракетного топлива. Удачи, ведь от ваших расчетов во многом зависит, получится ли в итоге так или так: А теперь к делу. Для работы ракетных двигателей используется специальное ракетное топливо, отличающееся высокими характеристиками теплоотдачи. Наиболее распространено двухкомпонентное ракетное топливо, которое состоит из пары окислитель­горючее. В частности это могут быть следующие пары веществ: Водород+кислород Метан+кислород Керосин+кислород ДМГ+кислород Гидразин+кислород ДМГ+оксид азота Аммиак+кислород Гидразин+оксид азота Используя теплоты образования реагентов и продуктов реакции горения выбранного ракетного топлива и принимая соотношение компонентов ракетного топлива за стехиометрическое (как в уравнении реакции), вы можете оценить тепловой эффект реакции горения выбранного ракетного топлива. Помимо самого ракетного топлива необходима “топливная система”, которая включает в себя емкости для хранения, перевозки ­ цистерны с высоким давлением, охлаждающая система и т.д. Стоимость топливной системы различается для разных видов ракетного топлива (см. ниже в разделе Экономика) и зависит от свойств входящих в ракетное топливо веществ. В процессе сгорания ракетного топлива в двигателе достигаются высокие тепературы, под действием которых, образующаяся в результате сгорания ракетного топлива вода может распадаться с образованием радикала OH по следующему уравнению: H O ⇔ 1/2H + OH 2 2 Константа равновесия данной реакции зависит от выбранного ракетного топлива. Свободные радикалы способствуют разрушению стенок двигателя, поэтому учет их образования является важной задачей. Анализ требований Ваша задача ­ изготовить соответствующее требованиям заказчика ракетное топливо и предоставить заказчику рассчитанное значение теплового эффекта реакции его горения ( кДж/кг смеси ). Дополнительно к расчету теплового эффекта, вы можете оценить долю H O распадающейся с 2 образованием активных радикалов OH (в долях единицы). Разработка топлива и создание опытного образца Вещество Теплота образования (ΔH , кДж\моль) f O жидкий 2 ­12,88 N O жидкий 2 4 ­19,00 Н жидкий 2 ­7,83 N H жидкий 2 4 50,63 Диметилгидразин (ДМГ) С Н N жидкий 2 8 2 48,30 СH газ 4 ­74,81 NH жидкий 3 ­69,87 Керосин РГ­1 (С Н ) жидкий 12,3 23,9 ­310,46 Н O газ 2 ­241,82 СО газ 2 ­393,50 N газ 2 0 Экономика Стоимость создания опытного образца: P = 5 МР E Стоимость создания производственной линии: где m – масса топлива в топливной системе в килограммах, p s – стоимость топливной системы, p p p f0 – розничная стоимость 1 килограмм топлива. s и f0 заданы в рублях (а не в миллионах рублей) в таблице ниже. Тип топливной смеси Водород+кислород Метан+кислород Керосин+кислород ДМГ+кислород Гидразин+кислород Оксид азота+ДМГ Аммиак+кислород Оксид азота+гидразин Розничная стоимость топлива за Стоимость топливной системы 1 кг p , руб. p f0 s, руб. 20.00 3500000 10.00 3500000 50.00 1000000 60.00 1000000 60.00 1000000 150.00 500000 40.00 3000000 150.00 500000 Пояснение по порядку решения инженерной задачи: 1) Как рассчитать тепловой эффект реакции сгорания ракетного топлива? Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции (следствие закона Гесса): O O O Δ H H H реакции = ΣΔ f (продукты) — ΣΔ f (реагенты) Используя справочные данные по теплотам образования, можно рассчитать тепловой эффект реакции в кДж/моль, однако (обратите внимание!) вам необходимо перевести его в кДж/кг. Для того, чтобы это сделать, реакцию: aA + bB = cC + dD, где вещество А ­ это горючее, а B ­ окислитель, необходимо привести к такому виду, чтобы горючее (керосин, ДМГ, гидразин, водород, метан и т.д.) имело коэффициент “1” в уравнении химической реакции: A + ba B = ac C + da D Тогда “количество молей ракетного топлива” (фактически количество молей горючего, с учетом необходимого окислителя) содержащееся в 1 кг считается по формуле: n = 1000 , где M a и M b ­ молярные массы сгорающего вещества А и окислителя B M a + ba M b соответственно. Домножив тепловой эффект реакции в кДж/моль на количество молей ракетного топлива в 1 кг, можно получить эффект реакции в кДж/кг. В поле “ Теплота сгорания 1 кг ракетного топлива, кДж” на сайте вводите значение теплового эффекта реакции по модулю, без указания знака “+” или “­” ! Пример заполнения поля на сайте: Теплота сгорания 1 кг ракетного топлива, кДж 7800 Приблизительно верность расчетов можно оценить, убедившись, что полученное вами значение попадает в интервал теплоты сгорания, получаемый в ходе опытных испытаний образца. 2) Как рассчитать долю воды, распадающейся с образованием свободных радикалов? Константа равновесия реакции aA + bB = cC + dD может быть выражена следующим образом: a b [A] [B] K = [C] c p [D]d Разложение воды приводит к образованию радикалов OH: H O ⇔ 1/2H + OH 2 2 примем долю разложившейся воды за Z. Можно составить таблицу: H O 2 H 2 OH было до реакции 1 0 0 стало в равновесии 1­Z Z 2 Z Составив с ипользованием таблицы уравнение для константы равновесия, вы можете вычислить Z. Если у вас получается нерешаемое аналитически уравнение, не пугайтесь ­ его можно решить графически (или подбором) в программе Excel. В итоге вами будет получено значение Z, лежащее в интервале от 0 до 1. Пример заполнения поля на сайте: Доля воды, разложившейся с образованием свободных радикалов 0,45
