الجزء 2. الوقود الثقيل جدا
الجزء السابق 1
قبل أن تكون المحطة الفضائية الدولية. بكتلة 420 طن وقيمتها
[ 20 ] بقيمة 150 مليار دولار:
طاقتها الحركية ،
E =
mv القديمة الجيدة
2/2 ، هي 1.3 * 10
13 جول. إضافة طاقة محتملة على ارتفاع 400 كيلومتر ، نحصل على 1.4 * 10
13 J.
كم من الغاز تحتاج إلى حرق للحصول على هذه الطاقة؟ اتضح أن ليس كثيرا. 350 طن في المجموع. هذا هو ما يقرب من
[ 200 ] ميزانية الطاقة ليوم واحد من أولان أودي.
كيف يمكن لهذا أبعد ما يكون عن أغنى مدينة في العالم في يوم واحد أن يدير ما يكفي من الطاقة لتسريع محطة الفضاء الدولية إلى السرعة المدارية ، ومع ذلك ، لدينا محطة واحدة للعالم بأسره ، وتكلف أموالا جنونية غير لائقة؟
الجواب
يكمن في ما هو واضح من تشريح مركبة الإطلاق.
يجب أن يشمل الناقل ، على الأقل ، ما يلي:
- الحمولة. خلاف ذلك ، لماذا هو مطلوب على الإطلاق؟
- محرك واحد على الأقل.
- السكن الذي يربط كل هذا.
- وبالطبع الوقود. كمائع العمل ، وفي معظم الحالات ، كمصدر للطاقة.
وفي الفقرة الأخيرة ، المشكلة متجذرة. لرفع وسحب حد أدنى معين من الوقود ، تحتاج ... بشكل صحيح ، وقود إضافي! في صعود التي تحتاج أيضا الوقود! وهذا التفاف يستمر لفترة طويلة. بالطبع ، تتلاقى ، وإلا فإننا لن نطير في أي مكان. ولكن وفقًا لنتائج التقارب ، فإن صاروخًا حديثًا ، بل إنه متعدد المراحل ، وحتى عالي الجودة ، تم تصميمه وتنفيذه ، ويتألف بشكل أساسي من هذا الوقود ذاته.
حسنًا ، هذا مثال على كتاب مدرسي ، Saturn V ليس هو الأحدث ، ولكنه أحد أكثر الصواريخ فعالية في التاريخ
[ 30 ] :
[الصورة الأصلية من تاريخ ناسا [
40 ]]
ابتداء من الوزن - 2970 طن. حوالي 2670 منهم وقود. منها 2160 يحترق في أقل من ثلاث دقائق من الرحلة القمرية بأكملها. على الرغم من حقيقة أن الطاقة الحركية للحمولة في المدار "تكلف" فقط 100 طن من الوقود.
اتضح أن الصعوبة الرئيسية في دخول المدار ليست نقص الطاقة. يمتلك أبناء الأرض بوفرة طاقة حركية ليس فقط للمحطات ، ولكن حتى للسفن السياحية في المدار. المشكلة مختلفة: وقودنا ثقيل للغاية. هناك حاجة إلى الكثير منها بالكيلوغرام لجمع كمية الطاقة اللازمة للرحلة. لماذا يذهب معظم الوقود الذي تم ضخه في الصاروخ إلى نقل الوقود. في الواقع ، فإن صيغة Tsiolkovsky ، التي تربط بين البداية
M والكتلة النهائية للصاروخ
m بالسرعة المكتسبة
V وسرعة العادم للمحرك
u ، تخبرنا بالشيء نفسه:
M /
m = e
V / u [2]
للوهلة الأولى ، ليس من الواضح تمامًا ما علاقة محتوى الطاقة بالكيلوغرام؟ لكن كل شيء بسيط. إنه "يجلس"
فيك ، بمعدل انتهاء الصلاحية. بالنسبة للوقود الكيميائي ، يكون محددًا بـ (وتقريب أولي يساوي)
u = √ (2
ف ) ، حيث
q هي الحرارة المحددة للاحتراق. ما هو محتوى الطاقة لكل كيلوغرام. وعندما تنخفض قيمة
q هذه ، فإن نسبة الكتلة في البداية والنهاية تصبح ضخمة بشكل كبير:
M /
m = e
V / √ (2 ف ) [3]
او
V = Ln (
M /
m ) * √ (
2q ) [3a]
بعض الملاحظات ، للمهووسين والوضوح1. نعم ، هناك تعبيرات أكثر دقة لمعدل التدفق من
u = √ (
2q ). عندما مررت الائتمان لهم ، غورباتشوف "سلمت" الاتحاد السوفياتي. ولكن هذه الصيغ معقدة ، وتخيف القراء ، وتأخذ في الاعتبار الآثار التي ليست مهمة هنا.
u = √ (
2q ) ، على الرغم من أنه يبالغ في الإجابة بنسبة 10-30 ٪ ، يصف بشكل كاف تبعية الاهتمام بالنسبة لنا. ونعم ، هناك شيء مثل الدافع المحدد ، ولكن في هذه المقالة بالذات ، يكون معدل التدفق أكثر ملاءمة للاستخدام.
2. من حيث المبدأ ، لا شيء يمنع حتى الصواريخ الكيميائية من الحصول على سرعة تدفق أعلى من
u (2
ف ). كيف؟ حسنًا ، دعنا نقول ، لحرق الوقود ليس في فوهة ، ولكن في مولد ، لتوليد الطاقة الكهربائية. بعد ذلك ، مع هذه الطاقة ، اسرع الكسر
x من العادم (0 <
x ≤ 1) إلى سرعات عالية جدًا. على سبيل المثال ، محرك نفاث كهربائي بلازما
[ 230 ] . ويتم التخلص من بقايا العادم بغباء بسرعة صفر. للبساطة ، نحن نفترض أن جميع التحويلات تحدث دون فقدان الطاقة ، مع كفاءة 100 ٪. هل يتسارع مثل هذا الصاروخ إلى سرعة
V أعلى مع نسبة كتلة ثابتة
M /
m (أي ، هل سيكون أكثر فعالية)؟
الجواب هو لا. من السهل حل المعادلات التي تصف حركة مثل هذا الصاروخ والحصول على:
V = Ln (
M /
m ) * √ (
2qx )
أي سرعتها النهائية ستكون فقط √
x من الصاروخ "العادي" المكتوب مع احتراق الوقود المباشر (راجع [3a]). وما زالت هذه السرعة مرتبطة بشكل صارم بـ
q .
3. ماذا لو كان الصاروخ لا يعمل على الوقود ، ولكن على البطارية؟ حسنًا ، دع هناك وسيط عمل منفصل للكتلة
m f على متنها وبطارية منفصلة مع احتياطي للطاقة
E والكتلة
m b .
أول ما تحتاج إلى فهمه هنا هو أن البطارية يجب أن تتكون من العديد من "الوحدات" الصغيرة التي تتم إعادة ضبطها أثناء العمل بها. لخلاف ذلك ، سوف نحمل معنا الحمل "الميت" من البطاريات الفارغة. لكن إذا كان الأمر كذلك ، فمن الناحية النظرية ، لا يختلف هذا عن الوقود العادي الموجود على متنه مع إجمالي احتياطي الطاقة
E والكتلة
m f +
m b . وإذا كانت
q =
E / (
m f +
m b ) لمثل هذا النظام أقل من نظام صاروخ كيميائي تقليدي ، فلن ينطلق بعد.
5. ولكن ماذا عن محركات الصواريخ الكهربائية
[ 225 ] ؟ بعد كل شيء ، فإنها تعطي معدلات تدفق تصل إلى عشرات ومئات الكيلومترات في الثانية ، وأداء مناورات ناجحة بين الكواكب مع نسب متواضعة جدا
م /
م . كيف ذلك؟ الحقيقة هي أن ERDs هي أنظمة مفتوحة. أنها تحمل السائل العمل (الزئبق ، زينون ، وما إلى ذلك) معهم. لكن الطاقة ليست كذلك. الطاقة تأتي من الألواح الشمسية. إذا كانت بدلاً من ذلك تحمل بطاريات عادية بها محتوى طاقة الكتلة
q ، فلن تكون كفاءتها أعلى ، وفقًا للصيغة [3a].
وقد كتب المقال لموقع https://habr.com . عند النسخ ، يرجى الرجوع إلى المصدر. مؤلف المقال هو يفغيني بوبوخ .لذا ، فإن الصواريخ باهظة الثمن لأن تصميمها "الجاف" خفيف الوزن للغاية يضطر إلى تحمل عبء ثقيل للغاية ، معظمه من الوقود (وحتى "يضخه" بسرعة من خلال TNA). والحمل كبير لأن وقودنا ثقيل للغاية. يتم وضع القليل جدا في جول لكل كيلوغرام.
دعونا الآن نفهم أسباب هذا القيد.
لماذا نلقي نظرة فاحصة على تفاعل احتراق الهيدروجين في الفلور ، باعتباره أحد أبسطها. في ذلك ، يتبادل أزواج الهيدروجين والهيدروجين والفلور شركاء ، مما يخلق أزواج من الهيدروجين والفلور:
H 2 +
F 2 = 2
HFمن أين تأتي الطاقة المنبعثة؟
يحتوي جزيء الهيدروجين على ذرتين. الذرات لها إلكترونات. يتم "تلطيخها" حول الذرة في شكل نوع من السحب ، وترتبط مع النواة بشكل رئيسي عن طريق الجذب الكهربائي. الإلكترونات خارجية ، تكافؤ ، و (باستثناء الهيدروجين) داخلية ، ولا تشارك في التفاعلات الكيميائية. بعد التفاعل ، يغير الهيدروجين والفلور الأماكن. يتم إعادة توزيع السحب الكهربائية للإلكترونات التكافلية وتغيير شكلها قليلاً. شيء مثل هذا:
[صورة الائتمان [
295 ]]
الطاقة الملزمة المحتملة للإلكترونات مع الذرات في السحب الجديدة مختلفة. في هذه الحالة (هذه الطاقة سالبة) ، فهي الآن أقل من طاقة
H2 و
F 2 بشكل منفصل. أين ذهب الفرق؟ الطاقة الحركية لجزيء ، اهتزازات ذراته ، الإشعاع الكهرومغناطيسي. كل هذا تحول في نهاية المطاف إلى حرارة. مما وسع الغاز وأعطاه الجر.
وهنا هي اللحظة الحاسمة. تشارك فقط إلكترونات التكافؤ الخارجية في التفاعلات الكيميائية. يظل توزيع كثافة الإلكترونات الأخرى (وكذلك الحقل الكهربائي "في عمق" الذرة) بدون تغيير تقريبًا. في التفاعلات الكيميائية ، تتفاعل الذرات مع بعضها البعض كما لو كانت من خلال "الوسطاء" ، وهي إلكترونات التكافؤ:
الآن ، الانتباه ، والسؤال هو: ما هي أقصى طاقة ممكنة يمكن إطلاقها خلال "التقليب"؟ من الواضح أنه لا يمكن أن يتجاوز مجموع طاقات الربط للإلكترونات الخارجية بالذرات (في المنتج النهائي والأولي). لكن هذه الطاقات الملزمة معروفة لنا
[ 285 ] . في كل ذرة ، يصل حجمها إلى 1.5 - 25
فولت إلكترون (
eV ) ويتم التعبير عنها في أجزاء من ثابت Rydberg - وهي قيمة أساسية مبنية على الثوابت الأساسية لكوننا:
Ry (في النظام الغوسي) =
m e e 4/2 ħ 2 =
1 3 .6 eV [
300 ]
علاوة على ذلك ، لا يمكن تحقيق كل من 25 و 13.6 فولت. لأنه في التفاعلات النموذجية البعيدة عن كل طاقة الربط يتم إطلاقها ، ولكن الفرق بينها فقط بين التكوينين ، وبالتالي فإن السقف العملي لإطلاق الطاقة من الكيمياء هو 3-4 فولت لكل ذرة. من حيث كيلوغرام نموذجي من الوقود + مؤكسد ، هذا يعادل 20-30 ميجا جول من الطاقة المنبعثة. هذه الكمية هي التي تحدد السرعة القصوى النظرية للغاز لمحرك نفاث كيميائي مع الاحتراق المباشر
u = √ (2
ف ) = √ (2 * 2.5 * 10
7 ) ≈ 7000 م / ث. لا يمكن تحقيقه ، بالطبع ، لأنه لا يأخذ في الاعتبار الخسائر على الدرجات الداخلية لحرية الجزيئات ، التفكك ، الإشعاع ، الحركة الحرارية غير الاتجاهية ، إلخ.
قد يبدو أن درجات حرارة الاحتراق المجدولة
[ 240 ] (على سبيل المثال ، 120 ميجا جول / كيلوغرام للهيدروجين) تتعارض مع الشكل المذكور أعلاه. ولكن الحقيقة هي أن هذه درجات الحرارة تشير عادة إلى كل كيلوغرام من
الوقود ، دون مراعاة المؤكسد اللازم لاحتراقه. يحمل الصاروخ كلا المكونين به ، وإذا قمت بإعادة حساب الطاقة المنبعثة لكل كيلوغرام من
الخليط (مع احتراق متوازن) ، تظهر صورة مختلفة تمامًا
[ 240 ] [ 250 ] [ 260 ] :
| الوقود + المؤكسد | رد الفعل | القيمة الحرارية لكل كيلوغرام. الوقود ، MJ / كجم | 1 كجم من الوقود يحتاج إلى مؤكسد ، كجم. | قيمة السعرات الحرارية ، MJ / كجم | الناتج لكل ذرة من الخليط ، فولت |
| الهيدروجين + الأكسجين | 2H 2 + O 2 = 2H 2 O | 120 | 8 | 13.3 | 0.83 |
| الكيروسين + الأكسجين | 2C 12 H 26 + 37O 2 = 24CO 2 + 26H 2 O | 43 | 3.5 | 9.6 | 1.02 |
| الفحم + الأكسجين | C + O 2 = CO 2 | 33 | 2.7 | 9.0 | 1.38 |
| الليثيوم + الأكسجين | 4Li + O 2 = 2Li 2 O | 43.5 | 1.2 | 20.2 | 2.10 |
| البورون + الأكسجين | 2B + 1.5O 2 = B 2 O 3 | 57.2 | 2.2 | 17.8 | 2.58 |
| المغنيسيوم + الأكسجين | 2Mg + O 2 = 2MgO | 25.1 | 0.7 | 15.1 | 3.18 |
| البريليوم + الأكسجين | 2Be + O 2 = 2BeO | 66.6 | 1.8 | 24.0 | 3.12 |
| الليثيوم + الفلور | 2Li + F 2 = 2LiF | 88.8 | 2.7 | 23.7 | 3.21 |
| البريليوم + الفلوريد | Be + F 2 = BeF 2 | 114 | 4.2 | 21.9 | 3.57 |
| Dicyanoacetylene + الأوزون | C 4 N 2 + (4/3) O 3 = 4CO + N 2 | 16.2 | 0.8 | 8.8 | 1.28 |
كما ترون ، حتى الوقود الأكثر كثافة ، وإن كان غير مناسب للاستخدام العملي ، فإن الوقود لا يوفر سوى 24 ميغا جول / كغم من الحرارة أثناء الاحتراق. وقد وصلنا إلى هذا الحد تقريبًا من بداية رواد الفضاء ، وهو ما يوضح رسمًا بيانيًا لمعدل التدفق الخارجي للمحركات الكيميائية اعتمادًا على سنة إنشائها:
[المحركات المبكرة وفقًا لـ [
310 ] ، [
320 ] ، [
330 ] ، لاحقًا - ويكيبيديا بشكل فردي. جمع البيانات
هنا ]
يبدو أن إمكانات الوقود الكيميائي تم تطويرها منذ فترة طويلة. هل من الممكن البدء في تخزين الطاقة في شكل مختلف؟
أن تستمر.