Bagian 2. Bahan Bakar Sangat Berat
Bagian 1 sebelumnya
Sebelum Anda adalah Stasiun Luar Angkasa Internasional. Dengan massa 420 ton dan nilai
[ 20 ] dari $ 150 miliar:
Energi kinetiknya,
E tua yang baik =
mv 2/2 , adalah 1,3 * 10
13 joule. Menambahkan energi potensial pada ketinggian 400 kilometer, kita mendapatkan 1,4 * 10
13 J.
Berapa banyak gas yang perlu Anda bakar untuk mendapatkan energi ini? Ternyata tidak terlalu banyak. Total 350 ton. Ini adalah kira-kira
[ 200 ] anggaran energi satu hari dari Ulan-Ude.
Bagaimana mungkin sejauh itu dari kota terkaya di dunia dalam satu hari mengelola energi yang cukup untuk mempercepat ISS ke kecepatan orbital, namun, kami memiliki satu stasiun untuk seluruh dunia, dan menghabiskan uang gila-gilaan?
Jawabannya
terletak pada anatomi kendaraan peluncuran.
Pengangkut, minimal, harus mencakup:
- Muatan Kalau tidak, mengapa itu dibutuhkan sama sekali?
- Setidaknya satu mesin.
- Perumahan yang menghubungkan semua ini.
- Dan, tentu saja, bahan bakar. Sebagai cairan yang bekerja dan, dalam banyak kasus, sebagai sumber energi.
Dan di paragraf terakhir, masalahnya sudah di-root. Untuk menaikkan dan menarik bahan bakar minimum, Anda perlu ... dengan benar, bahan bakar tambahan! Sedang Anda membutuhkan bahan bakar! Dan pembungkus ini berlangsung lama. Tentu saja, itu menyatu, kalau tidak kita tidak akan terbang ke mana pun. Namun menurut hasil konvergensi, roket modern, bahkan multi-tahap, bahkan berkualitas tinggi dirancang dan dieksekusi, secara massal terdiri dari bahan bakar ini.
Nah ini adalah contoh buku teks, Saturn V bukan yang terbaru, tetapi salah satu rudal paling efektif dalam sejarah
[ 30 ] :
[Gambar asli dari Sejarah NASA [
40 ]]
Mulai berat - 2970 ton. Beberapa 2670 dari mereka adalah bahan bakar. Yang 2160 terbakar dalam waktu kurang dari tiga menit dari seluruh ekspedisi bulan. Terlepas dari kenyataan bahwa energi kinetik dari muatan di orbit "biaya" hanya 100 ton bahan bakar.
Ternyata kesulitan utama dalam memasuki orbit bukanlah kekurangan energi. Penduduknya yang berlimpah memiliki energi kinetik yang cukup tidak hanya untuk stasiun, tetapi bahkan untuk kapal pesiar di orbit. Masalahnya berbeda: bahan bakar kita terlalu berat. Terlalu banyak dibutuhkan dalam kilogram untuk mengumpulkan jumlah energi yang dibutuhkan untuk penerbangan. Mengapa sebagian besar bahan bakar dituangkan ke roket untuk transportasi bahan bakar. Sebenarnya, rumus Tsiolkovsky, yang menghubungkan awal
M dan massa akhir roket
m dengan kecepatan
V yang diperoleh dan kecepatan knalpot mesin
u , memberi tahu kita hal yang sama:
M /
m = e
V / u [2]
Pada pandangan pertama, tidak sepenuhnya jelas apa hubungan kandungan energi per kilogram dengan itu? Tapi semuanya sederhana. Itu "duduk" di
Anda , pada tingkat kedaluwarsa. Untuk bahan bakar kimia, ia dibatasi oleh (dan untuk perkiraan pertama sama dengan)
u = β (2
q ), di mana
q adalah panas pembakaran spesifik. Yang merupakan kandungan energi per kilogram. Dan ketika
q ini βgagalβ, rasio massa di awal dan akhir menjadi sangat besar secara eksponensial:
M /
m = e
V / β (2 q ) [3]
Atau
V = Ln (
M /
m ) * β (
2q ) [3a]
Beberapa catatan, untuk kutu buku dan kejelasan1. Ya, ada ekspresi yang lebih akurat untuk laju aliran daripada
u = β (
2q ). Ketika saya melewati kredit untuk mereka, Gorbachev "menyerahkan" Uni Soviet. Tetapi formula ini rumit, menakuti pembaca, dan memperhitungkan efek akun yang tidak penting di sini.
u = β (
2q ), meskipun melebih-lebihkan jawabannya sebesar 10-30%, cukup menggambarkan ketergantungan yang menarik bagi kita. Dan ya, ada yang namanya impuls spesifik, tetapi dalam artikel khusus ini, laju aliran lebih nyaman digunakan.
2. Pada prinsipnya, tidak ada yang melarang bahkan roket kimia untuk mendapatkan kecepatan aliran
u lebih tinggi dari β (2
q ). Bagaimana? Nah, katakanlah, untuk membakar bahan bakar bukan di nozzle, tetapi di generator, menghasilkan energi listrik. Kemudian, dengan energi ini, percepat fraksi
x knalpot (0 <
x β€ 1) ke kecepatan yang sangat tinggi. Misalnya, mesin jet listrik plasma
[ 230 ] . Dan residu buangan dibuang dengan bodoh pada kecepatan nol. Untuk kesederhanaan, kami mengasumsikan bahwa semua transformasi terjadi tanpa kehilangan energi, dengan efisiensi 100%. Akankah roket seperti itu berakselerasi ke kecepatan
V yang lebih tinggi dengan rasio massa tetap
M /
m (mis., Apakah akan lebih efektif)?
Jawabannya adalah tidak. Sangat mudah untuk memecahkan persamaan yang menggambarkan gerakan roket tersebut dan mendapatkan:
V = Ln (
M /
m ) * β (
2qx )
Yaitu kecepatan akhirnya hanya β
x dari roket "biasa" yang diketik dengan pembakaran bahan bakar langsung (lih. [3a]). Dan kecepatan ini masih terikat dengan
q .
3. Bagaimana jika roket tidak bekerja pada bahan bakar, tetapi pada baterai? Nah, biarlah ada media kerja yang terpisah dari massa
mf di papan dan secara terpisah baterai dengan cadangan energi
E dan massa
m b .
Hal pertama yang perlu Anda mengerti di sini adalah bahwa baterai harus terdiri dari banyak "modul" kecil yang diatur ulang saat mereka bekerja. Karena jika tidak, kami akan membawa bersama kami baterai "mati" baterai kosong. Tetapi jika demikian, maka secara konseptual ini tidak berbeda dari bahan bakar biasa di atas kapal dengan total cadangan energi
E dan massa
m f +
m b . Dan jika
q =
E / (
m f +
mb ) dari sistem seperti itu lebih rendah dari roket kimia konvensional, maka itu tidak akan terbang lebih baik.
5. Tetapi bagaimana dengan mesin roket listrik
[ 225 ] ? Bagaimanapun, mereka memberikan laju aliran puluhan dan ratusan kilometer per detik, dan mereka melakukan manuver antarplanet yang sukses dengan rasio
M /
m yang sangat sederhana. Bagaimana bisa begitu? Faktanya adalah bahwa ERD adalah sistem terbuka. Mereka membawa cairan yang bekerja (merkuri, xenon, dll.) Dengan mereka. Tetapi energi tidak. Energi berasal dari panel surya. Jika sebaliknya mereka membawa baterai biasa dengan kandungan energi
q massa, maka efisiensinya tidak akan lebih tinggi, menurut rumus [3a].
Artikel ini ditulis untuk situs https://habr.com . Saat menyalin, silakan merujuk ke sumbernya. Penulis artikel ini adalah Evgeny Bobukh .Jadi, rudal harganya mahal karena desain "kering" yang sangat ringan terpaksa menahan beban yang sangat berat, kebanyakan bahan bakar (dan bahkan "pompa" dengan cepat melalui TNA). Dan bebannya besar karena bahan bakar kita terlalu berat. Sangat sedikit ditempatkan di dalamnya joule per kilogram.
Mari kita mengerti alasan pembatasan ini.
Mengapa mencermati reaksi pembakaran hidrogen dalam fluor, sebagai salah satu yang paling sederhana. Di dalamnya, pasangan pasangan hidrogen-hidrogen dan fluor-fluor bertukar, menciptakan dua pasangan hidrogen-fluor:
H 2 +
F 2 = 2
HFDari mana datangnya energi yang dilepaskan?
Molekul hidrogen memiliki dua atom. Atom memiliki elektron. Mereka "dioleskan" di sekitar atom dalam bentuk semacam awan, dan terhubung dengan nukleus terutama oleh tarikan elektrostatik. Elektron adalah eksternal, valensi, dan (kecuali hidrogen) internal, tidak berpartisipasi dalam reaksi kimia. Setelah reaksi, hidrogen dan fluor berubah tempat. Awan listrik elektron valensi terdistribusi ulang dan sedikit berubah bentuk. Sesuatu seperti ini:
[Kredit gambar [
295 ]]
Energi mengikat potensial elektron dengan atom di awan baru berbeda. Dalam hal ini (energi ini negatif), sekarang lebih kecil dari
H 2 dan
F 2 secara terpisah. Kemana perbedaannya? Energi kinetik suatu molekul, getaran atom-atomnya, radiasi elektromagnetik. Semua ini akhirnya berubah menjadi panas. Yang memperluas gas dan memberi daya tarik.
Dan inilah saat yang kritis. Hanya elektron valensi eksternal yang terlibat dalam reaksi kimia. Distribusi kerapatan elektron lainnya (serta medan listrik "di kedalaman" atom) tetap tidak berubah. Dalam reaksi kimia, atom berinteraksi satu sama lain seolah-olah melalui "perantara", yang merupakan elektron valensi:
Sekarang, perhatian, pertanyaannya adalah: berapa energi maksimum yang dapat dilepaskan selama βpermutasiβ seperti itu? Jelas, itu tidak dapat melebihi jumlah energi pengikat elektron eksternal dengan atom (dalam produk akhir dan awal). Tetapi energi yang mengikat ini diketahui oleh kita
[ 285 ] . Per atom, jumlahnya mencapai 1,5 - 25
elektron volt (
eV ) dan dinyatakan dalam fraksi konstanta Rydberg - nilai fundamental yang dibangun dari konstanta dasar Alam Semesta kita:
Ry (dalam sistem Gaussian) =
m e e 4/2 Δ§ 2 =
1 3 .6 eV [
300 ]
Terlebih lagi, 25 dan 13.6 eV keduanya tidak dapat dicapai. Karena dalam reaksi khas jauh dari semua energi yang mengikat dilepaskan, tetapi hanya perbedaannya antara dua konfigurasi, dan oleh karena itu langit-langit praktis pelepasan energi kimia adalah 3-4 eV per atom. Dalam hal kilogram bahan bakar + oksidator, ini setara dengan 20-30 MJ energi yang dilepaskan. Kuantitas inilah yang menetapkan kecepatan gas maksimum teoretis dari mesin jet kimia dengan pembakaran langsung
u = β (2
q ) = β (2 * 2.5 * 10
7 ) β 7000 m / s. Tentu saja tidak dapat dicapai karena ia tidak memperhitungkan kerugian pada derajat internal kebebasan molekul, disosiasi, radiasi, gerakan termal non-directional, dll.
Mungkin tampak bahwa panas pembakaran tabular
[ 240 ] (katakanlah, 120 MJ / kg untuk hidrogen) bertentangan dengan gambar yang ditulis di atas. Tetapi kenyataannya adalah bahwa panas ini biasanya ditunjukkan per kilogram
bahan bakar , tanpa memperhitungkan oksidator yang diperlukan untuk pembakarannya. Roket membawa kedua komponen dengan itu, dan jika kita menghitung ulang energi yang dikeluarkan per kilogram
campuran (dengan pembakaran seimbang), gambar yang sama sekali berbeda muncul
[ 240 ] [ 250 ] [ 260 ] :
| Bahan bakar + pengoksidasi | Reaksi | Nilai kalor per kg. bahan bakar, MJ / kg | 1 kg bahan bakar membutuhkan oksidator, kg. | Nilai kalor, MJ / kg | Output per atom campuran, eV |
| Hidrogen + oksigen | 2H 2 + O 2 = 2H 2 O | 120 | 8 | 13.3 | 0,83 |
| Minyak tanah + oksigen | 2C 12 H 26 + 37O 2 = 24CO 2 + 26H 2 O | 43 | 3.5 | 9.6 | 1,02 |
| Batubara + Oksigen | C + O 2 = CO 2 | 33 | 2.7 | 9.0 | 1.38 |
| Lithium + oksigen | 4Li + O 2 = 2Li 2 O | 43.5 | 1.2 | 20.2 | 2.10 |
| Boron + Oksigen | 2B + 1,5O 2 = B 2 O 3 | 57.2 | 2.2 | 17.8 | 2.58 |
| Magnesium + Oksigen | 2Mg + O2 = 2MgO | 25.1 | 0,7 | 15.1 | 3.18 |
| Berilium + oksigen | 2Be + O2 = 2BeO | 66.6 | 1.8 | 24.0 | 3.12 |
| Lithium + fluorin | 2Li + F 2 = 2LiF | 88.8 | 2.7 | 23.7 | 3.21 |
| Berilium + Fluorida | Be + F 2 = BeF 2 | 114 | 4.2 | 21.9 | 3.57 |
| Dicyanoacetylene + ozon | C 4 N 2 + (4/3) O 3 = 4CO + N 2 | 16.2 | 0.8 | 8.8 | 1.28 |
Seperti yang Anda lihat, bahkan yang paling hemat energi, meskipun tidak cocok untuk penggunaan praktis, bahan bakar hanya menghasilkan 24 MJ / kg panas selama pembakaran. Dan kita telah mengalami batas ini hampir sejak awal astronotika, yang menunjukkan grafik laju aliran mesin kimia tergantung pada tahun pembuatannya:
[Mesin awal menurut [
310 ], [
320 ], [
330 ], kemudian - Wikipedia satu per satu. Pengumpulan data di
sini ]
Tampaknya potensi bahan bakar kimia telah lama dikembangkan. Apakah mungkin untuk mulai menyimpan energi dalam bentuk yang berbeda?
Untuk dilanjutkan.