स्प्रिंग्स की सभ्यता, 2/5

भाग 2. बहुत भारी ईंधन

पिछला भाग १



इससे पहले कि आप अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन है। 420 टन के द्रव्यमान और $ 150 बिलियन के ^{[ 20 ]} मूल्य के साथ:



उसकी गतिज ऊर्जा, अच्छा पुराना ई = एमवी 2/2 , 1.3 * 10 ¹³ जूल है। 400 किलोमीटर की ऊंचाई पर संभावित ऊर्जा को जोड़ने पर, हमें 1.4 * 10 ¹³ जे।

इस ऊर्जा को प्राप्त करने के लिए आपको कितनी गैस जलाने की आवश्यकता है? यह पता चला है कि इतना नहीं। कुल 350 टन। यह उलान-उडे का लगभग ^{[ 200 ]} एक-दिवसीय ऊर्जा बजट है।

यह कैसे होता है कि एक ही दिन में दुनिया के सबसे अमीर शहर से आईएसएस को गति देने के लिए पर्याप्त ऊर्जा का प्रबंधन किया जाता है, हालांकि, हमारे पास पूरी दुनिया के लिए एक ही स्टेशन है, और इसमें अभद्र रूप से पागल पैसे खर्च होते हैं?

उत्तर स्पष्ट रूप से लॉन्च वाहन की शारीरिक रचना से स्पष्ट है।

कम से कम, वाहक को शामिल करना चाहिए:

1. पेलोड। अन्यथा, इसकी आवश्यकता क्यों है?
2. कम से कम एक इंजन।
3. एक आवास जो यह सब जोड़ता है।
4. और, बेशक, ईंधन। काम कर रहे तरल पदार्थ के रूप में और, ज्यादातर मामलों में, ऊर्जा के स्रोत के रूप में।

और आखिरी पैराग्राफ में, समस्या जड़ है। ईंधन की एक निश्चित न्यूनतम को बढ़ाने और खींचने के लिए, आपको ... सही ढंग से, अतिरिक्त ईंधन की आवश्यकता है! जिसके उदय पर आपको ईंधन की भी आवश्यकता होती है! और यह लपेटन लंबे समय तक रहता है। बेशक, यह अभिसरण करता है, अन्यथा हम कहीं नहीं उड़ते। लेकिन अभिसरण के परिणामों के अनुसार, एक आधुनिक रॉकेट, यहां तक ​​कि एक बहु-मंच, यहां तक ​​कि उच्च गुणवत्ता वाले डिज़ाइन और निष्पादित, बड़े पैमाने पर मुख्य रूप से इस बहुत ईंधन के होते हैं।

यहाँ एक पाठ्यपुस्तक उदाहरण है, शनि V सबसे नया नहीं है, लेकिन इतिहास में सबसे प्रभावी मिसाइलों में से एक है ^{[ 30 ]}



[नासा इतिहास से मूल छवि [ 40 ]]

शुरुआती वजन - 2970 टन। उनमें से कुछ 2670 ईंधन हैं। जिनमें से 2160 पूरे चंद्र अभियान के तीन मिनट से भी कम समय में जल गए। इस तथ्य के बावजूद कि कक्षा में पेलोड की गतिज ऊर्जा "लागत" केवल 100 टन ईंधन है।

यह पता चला है कि कक्षा में प्रवेश करने में मुख्य कठिनाई ऊर्जा की कमी नहीं है। न केवल स्टेशनों के लिए, बल्कि कक्षा में क्रूज जहाजों के लिए भी उसकी पृथ्वी की बहुतायत में पर्याप्त गतिज ऊर्जा है। समस्या अलग है: हमारा ईंधन बहुत भारी है। उड़ान के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को इकट्ठा करने के लिए किलोग्राम में इसकी बहुत आवश्यकता होती है। रॉकेट में डाला जाने वाला अधिकांश ईंधन ईंधन के परिवहन में क्यों जाएगा । वास्तव में, Tsiolkovsky सूत्र, शुरुआती एम और रॉकेट एम के अंतिम द्रव्यमान को प्राप्त गति वी और इंजन यू के निकास वेग के साथ जोड़ता है, हमें एक ही बात बताता है:

एम / एम = ई ^{वी / यू} [२]

पहली नज़र में, यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है कि प्रति किलोग्राम ऊर्जा सामग्री का इससे क्या लेना-देना है? लेकिन सब कुछ सरल है। यह समाप्ति के दर पर, यू में "बैठता है"। रासायनिक ईंधन के लिए, यह u =) (2 q ) के बराबर (और पहले सन्निकटन तक) सीमित है, जहाँ q दहन की विशिष्ट ऊष्मा है। जो प्रति किलोग्राम ऊर्जा सामग्री है। और जब यह क्ष "कम पड़ता है", प्रारंभ और समापन पर बड़े पैमाने पर अनुपात तेजी से विशाल हो जाता है:

M / m = e ^{V / √ (2 q )} [3]

या

V = Ln ( M / m ) * L ( 2q ) [3a]


^{लेख https://habr.com साइट के लिए लिखा गया था। कॉपी करते समय, कृपया स्रोत का संदर्भ लें। लेख के लेखक इवगेनी बोबुख हैं ।}

इसलिए, मिसाइलें महंगी हैं क्योंकि उनका बेहद हल्का "सूखा" डिज़ाइन एक बहुत भारी भार का सामना करने के लिए मजबूर है, ज्यादातर ईंधन (और यहां तक ​​कि "TNA के माध्यम से" इसे "पंप")। और भार बहुत अच्छा है क्योंकि हमारा ईंधन बहुत भारी है । इसमें बहुत कम प्रति किलो जूल लगाया जाता है।

आइए अब हम इस सीमा के कारणों को समझते हैं।

फ्लोरीन में हाइड्रोजन के दहन की प्रतिक्रिया को करीब से जानने के लिए, क्यों सबसे आसान है। इसमें, हाइड्रोजन-हाइड्रोजन और फ्लोरीन-फ्लोरीन जोड़े, दो हाइड्रोजन-फ्लोरीन जोड़े बनाते हैं, जो पार्टनर का आदान-प्रदान करते हैं:

एच ₂ + एफ ₂ = 2 एचएफ

रिलीज़ की गई ऊर्जा कहाँ से आती है?

एक हाइड्रोजन अणु में दो परमाणु होते हैं। परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन होते हैं। वे एक तरह के बादल के रूप में परमाणु के चारों ओर "लिप्त" होते हैं, और मुख्य रूप से विद्युत आकर्षण द्वारा नाभिक से जुड़े होते हैं। इलेक्ट्रॉन बाहरी, वैधता वाले होते हैं, और (हाइड्रोजन को छोड़कर) आंतरिक, रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं। प्रतिक्रिया के बाद, हाइड्रोजन और फ्लोरीन स्थान बदलते हैं। वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के विद्युत बादलों को पुनर्वितरित किया जाता है और उनके आकार को थोड़ा बदल देता है। कुछ इस तरह:



[छवि क्रेडिट [ 295 ]]

नए बादलों में परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों की संभावित बाध्यकारी ऊर्जा अलग होती है। इस मामले में (यह ऊर्जा नकारात्मक है), यह अब अलग से एच ₂ और एफ ₂ की तुलना में कम है। अंतर कहां गया? एक अणु की गतिज ऊर्जा, उसके परमाणुओं का कंपन, विद्युत चुम्बकीय विकिरण। यह सब अंततः गर्मी में बदल गया। जिसने गैस का विस्तार किया और कर्षण दिया।

और यहाँ महत्वपूर्ण क्षण है। केवल बाहरी, वैलेंस इलेक्ट्रॉनों रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शामिल हैं। अन्य इलेक्ट्रॉनों का घनत्व वितरण (साथ ही विद्युत क्षेत्र "परमाणु की गहराई में") लगभग अपरिवर्तित रहता है। रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, परमाणु एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं जैसे कि "मध्यस्थों" के माध्यम से, जो कि वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं:



अब, ध्यान देना, सवाल यह है कि इस तरह के "क्रमपरिवर्तन" के दौरान जारी की जाने वाली अधिकतम संभव ऊर्जा क्या है? जाहिर है, यह परमाणुओं के साथ बाहरी इलेक्ट्रॉनों की बाध्यकारी ऊर्जा के योग (अंतिम और प्रारंभिक उत्पाद में) से अधिक नहीं हो सकता है। लेकिन इन बाध्यकारी ऊर्जाओं को हम अच्छी तरह से जानते हैं ^{[ 285 ]} । परमाणु के अनुसार, वे 1.5 - 25 इलेक्ट्रॉन वोल्ट ( ईवी ) की राशि और Rydberg निरंतर के अंशों में व्यक्त किए जाते हैं - हमारे ब्रह्मांड के मूल स्थिरांक से निर्मित एक मौलिक मूल्य:

Ry (गॉसियन सिस्टम में) = m _e e 4/2 1 ² = 1 3 .6 eV [ 300 ]

इसके अलावा, दोनों 25 और 13.6 ईवी अप्राप्य हैं। सभी बाध्यकारी ऊर्जा से दूर की गई विशिष्ट प्रतिक्रियाओं के लिए, लेकिन केवल दो विन्यासों के बीच इसका अंतर है, और इसलिए रसायन विज्ञान की ऊर्जा रिलीज की व्यावहारिक छत प्रति परमाणु 3-4 ईवी है। ईंधन + ऑक्सीडाइज़र के एक विशिष्ट किलोग्राम के संदर्भ में, यह जारी की गई ऊर्जा के 20-30 एमजे के बराबर है। यह वह मात्रा है जो एक रासायनिक जेट इंजन के सैद्धांतिक अधिकतम गैस वेग को सीधे दहन u = √ (2 q ) = 2.5 (2 * 2.5 * 10 ⁷ ) m 7000 m / s के साथ सेट करती है। अप्राप्य, निश्चित रूप से, क्योंकि यह अणुओं की स्वतंत्रता, हदबंदी, विकिरण, गैर-दिशात्मक थर्मल गति, आदि की आंतरिक डिग्री पर नुकसान को ध्यान में नहीं रखता है।

ऐसा प्रतीत हो सकता है कि दहन के सारणीबद्ध हीट ^{[ 240 ]} (कहते हैं, हाइड्रोजन के लिए 120 एमजे / किग्रा) ऊपर लिखे आंकड़े का खंडन करते हैं। लेकिन तथ्य यह है कि इन हीट्स को आमतौर पर प्रति किलोग्राम ईंधन के रूप में इंगित किया जाता है , इसके दहन के लिए आवश्यक ऑक्सीकारक को ध्यान में रखे बिना। रॉकेट दोनों घटकों को अपने साथ ले जाता है, और यदि हम प्रति किलोग्राम मिश्रण (संतुलित दहन के साथ) जारी ऊर्जा को पुनः प्राप्त करते हैं, तो एक पूरी तरह से अलग तस्वीर उभरती है ^{[ 240 ] [ 250 ] [ 260 ]} :

ईंधन + ऑक्सीकारक	प्रतिक्रिया	प्रति किलो कैलोरी मूल्य। ईंधन, एमजे / किग्रा	1 किलो ईंधन के लिए ऑक्सीकारक, किलो की जरूरत होती है।	कैलोरी मान, एमजे / किग्रा	मिश्रण के परमाणु प्रति आउटपुट, ई.वी.
हाइड्रोजन + ऑक्सीजन	2H 2 + O 2 = 2H 2 O	120	8	13.3	0.83
मिट्टी का तेल + ऑक्सीजन	2C 12 H 26 + 37O 2 = 24CO 2 + 26H 2 O	43	3.5	9.6	1.02
कोयला + ऑक्सीजन	सी + ओ 2 = सीओ 2	33	2.7	9.0	1.38
लिथियम + ऑक्सीजन	4Li + O 2 = 2Li 2 O	43.5	1.2	20.2	2.10
बोरॉन + ऑक्सीजन	2 बी + 1.5 ओ 2 = बी 2 ओ 3	57.2	2.2	17.8	2.58
मैग्नीशियम + ऑक्सीजन	2 एमजी + ओ 2 = 2 एमजीओ	25.1	0.7	15.1	3.18
बेरिलियम + ऑक्सीजन	2Be + O 2 = 2BeO	66.6	1.8	24.0	3.12
लिथियम + फ्लोरीन	2 एलआई + एफ 2 = 2 एलआईएफ	88.8	2.7	23.7	3.21
बेरिलियम + फ्लोराइड	Be + F 2 = BeF 2	114	4.2	21.9	3.57
Dicyanoacetylene + ozone	C 4 N 2 + (4/3) O 3 = 4CO + N 2	16.2	0.8	8.8	1.28

जैसा कि आप देख सकते हैं, यहां तक ​​कि सबसे अधिक ऊर्जा-गहन, व्यावहारिक उपयोग के लिए अनुपयुक्त, ईंधन दहन के दौरान केवल 24 MJ / kg गर्मी देते हैं। और हम अंतरिक्ष यात्रियों की शुरुआत से लगभग इस सीमा में चले गए हैं, जो कि उनके निर्माण के वर्ष के आधार पर रासायनिक इंजनों के बहिर्वाह की दर का एक ग्राफ दिखाता है:



[प्रारंभिक इंजन के अनुसार [ 310 ], [ 320 ], [ ३३० ], बाद में - व्यक्तिगत रूप से विकिपीडिया। यहां डेटा संग्रह]

ऐसा लगता है कि रासायनिक ईंधन की क्षमता लंबे समय से विकसित है। क्या एक अलग रूप में ऊर्जा का भंडारण शुरू करना संभव है?

जारी रखा जाए।