Требования, предъявляемые к топливу
Количество энергии, необходимое для того, чтобы нагреть бензин от 0 до 100° С и затем превратить его в пар, составляет при нормальных условиях около 1,4% его теплотворной способности. Для испарения 1 кг жидкого водорода температурой и нагревания его до температуры Т, приведенной к атмосферному давлению, согласно уравнению по Оберту требуется количество тепла, требующееся для нагревания до той же температуры жидкого кислорода температурой—183С равняется 0,218 (Г,+ 144) кал; для жидкого азота при—193,75С потребуется 0,244 кал. Эта способность к охлаждению интересна потому, что в ракетных двигателях вместо специальной охлаждающей жидкости, отводящей тепловые потери через стенки камеры и сопла в атмосферу, возможно для целей охлаждения использовать само топливо. В качестве обычной жидкости для охлаждения стенок жидкие газы непригодны, так как они начинают кипеть уже в том состоянии, в каком они находятся в баках, т.е. они еще до момента превращения в пар не обладают уже способностью поглощать тепло. Кроме разобранных выше и других постоянных физико-химических свойств, с которыми приходится мириться как с непреложным фактом, имеется еще целый ряд других меняющихся свойств, имеющих экономическое значение. Однако ввиду их переменного характера они не играют такой решающей роли при выборе топлива, как первые. В первую очередь отнесем сюда цену горючего за единицу теплотворной способности. Конечно, в этом отношении наиболее выгодными будут обычные продажные сорта горючего, как то: бензин, нефть, мазут и др., и наименее выгодными — высококачественные сжиженные газы. Однако при более широком применении сжиженных газов цена на них могла бы значительно понизиться. Можно ожидать, что пена водорода будет вполне приемлемой при производстве его электролитическим путем, учитывая дешевую энергию гидростанций, затратой на каждые 10 000 кал (0,34 кг водорода). То же можно сказать и в отношении возможности получения горючего в местах посадки (аэропортах) ракетных самолетов. По всей вероятности, в этом отношении первенство придется отдать бензину. Но так как порты для ракетных самолетов, по всей вероятности, будут устроены только в очень немногих пунктах земли, то организовать доставку любого горючего будет нетрудно.
Вещества, способные самостоятельно отдавать энергию
К числу таких топлив, которые не требуют для отдачи энергии никаких вспомогательных веществ, как то: кислорода, воздуха и т. п. принадлежат, прежде всего, взрывчатые вещества (например, порох). Кроме того, возможны в будущем некоторые открытия источников энергии, как то: энергии разложения атомов, энергии атомного водорода и т. п. Сюда же до известной степени следует отнести и так называемые «электронные ракеты», которые обычно основывают на принципе выталкивания очень небольших масс со скоростью, равной скорости света при помощи электричества. Потребную энергию в большинстве случаев предполагают каким-то неизвестным еще способом получать непосредственно из солнечного излучения, так что пока этот метод не может представлять интереса для техники ракетных полетов. Кроме того, и фантастические скорости, связанные с применением таких горючих с чрезвычайно высоким содержанием энергии, даже и нежелательны, так как при максимальной скорости полета ракетного самолета в 8000 м/сек и скорости истечения газов, равной приблизительно скорости катодного излучения или лучей в 10 м/сек, внешний коэффициент полезного действия ракетного привода % понижается до 0,00016. Такой расточительной траты энергии, по всей вероятности, нельзя было бы допустить даже и в том случае, если бы в нашем распоряжении имелись неисчерпаемые запасы солнечной энергии или энергии разложения атомов. Если бы, однако, при помощи больших количеств энергии нам удалось бы перемещать и большие массы отходящих газов с меньшей скоростью, как это предполагает делать Оберте своей «электронной ракете», основывающейся на принципе «электрического ветра», то, по всей вероятности, такой двигатель мог бы работать вполне экономично. Идеальным топливом дли ракетных двигателей можно считать атомарный водород при его превращении в молекулярный водород. Получаемая при этом энергия (по Быховскому-Кепленду 52 500 кал/кг) дает, даже при отсутствии вспомогательных нейтральных масс, скорость отходящих газов несколько большую, чем 20 000 м/сек, при которой получается очень хороший внешний коэффициент полезного действия. Этот коэффициент полезного действия может быть еще более улучшен путем применения небольших нейтральных масс вспомогательных газов. К сожалению, использование атомарного водорода является пока еще нерешенной проблемой. Взрывчатые вещества и порох обладают весьма для нас ценным преимуществом, а именно — они не зависят от наличия кислородосодержащих вспомогательных веществ, так как кислород, необходимый для сгорания, уже примешан к горючим (углерод, сера) в виде носителей кислорода (например, селитра) или же этот кислород уже содержится в самой их, большей частью весьма сложной и нестойкой, молекуле (например, нитроглицерин, нитроцеллюлоза и т. п.). Все эти вещества обладают сравнительно небольшой теплотворной способностью и сильной склонностью к взрывам. Ввиду этого указанные сорта. ' Эта точка зрения автора вряд ли состоятельна. Применение источников энергии высокой концентрации в наименьшей степени ограничивается значением внешнего к.п.д. Использование атомарного водорода в ракете возможно лишь при наличии источника энергии (например, электрической, ядерной)» в присутствии которого водород работает в качестве промежуточного рабочего тела. Вследствие низкого значения удельного веса водорода рациональность его применения в ракете не очевидна. Вода, по-видимому, может оказаться более рентабельной. Тенлога диссоциации (полной) Н2О может дать топливо с теплотворной способностью порядка 12 000 кал, которая позволит достичь скорости истечения 6010-7000 м сек. топлива едва ли могут иметь серьезное значение для ракетных самолетов с помещенными в них людьми. В общем можно сказать, способные к самостоятельной отдаче энергии, пока не могут быть использованы для ракетных двигателей.
Вещества, неспособные к самостоятельной отдаче энергии (горючие)
Горючие не способны сами по себе отдавать энергию. Для получения энергии требуется подвести к ним какое-то вспомогательное вещество, как правило, кислород. Отдача энергии происходит при этом путем окисления. Такими горючими практически будут почти исключительно водород и углерод, равно как и их химические соединения, отличающиеся все очень высокой теплотворной способностью. Эта теплотворная способность дается их основными составляющими— водородом и углеродом и колеблется в пределах между 12,20-10 кгм/кг и 3,48-10° кгм/кг, в зависимости от весового процентного содержания водорода или углерода. Богатые водородом горючие (например СН4) обладают большей теплотворны способностью, нежели горючие с большим содержанием углерода. В соответствии с этим первое место в этом отношении занимает сам водород, который и большинством ракетных техников рассматривается как наилучшее горючее для ракетных двигателей. Однако и ему присущи некоторые недостатки, имеющие немаловажное значение. Эти недостатки заключаются в следующем. Применение его в газообразном или сжатом состоянии невозможно ввиду чрезвычайно больших потребных для этой цели баков, а потому приходится пользоваться жидким водородом, удельным весом в 0,07 г/Л. Точка кипения жидкого водорода при атмосферном давлении лежит при — 253еС, так что предупредить его чрезвычайно быстрое испарение при нормальной температуре (теплота испарения 123 Кал/кг, в то время как теплота испарения воды 539 Кал/кг) возможно только путем самой тщательной тепловой изоляции. Кроме того, недостатком водорода является то, что он сообщает свою температуру всем стенкам сосудов и трубопроводов, причем большинство материалов ведет себя при этом так, как если бы они обладали прочностью стекла; наконец, обращение с ним, по Оберту, столь же сложно н опасно, как обращение с кипящей водой. Жидкий водород представляет собой бесцветную чрезвычайно легкую и подвижную жидкость, отвечающую следующей характеристике; точка кипения в нормальных условиях —253° С; точка плавления — 257° С; критическая температура —240° С; критическое давление 13.2 кг/см, теплота испарения 123 Кал/ке; удельный вес 0.070 тШ. Помещенный в таблице вторым по порядку метан имеет точку плавления—161,4°С; его теплота испарения в 125Кал/кг находится в соответствии с его меньшей теплотворной способностью, а следовательно, он несколько безопаснее жидкого водорода. Вслед за ним следуют хорошо известные нам жидкие горючие, как то: бензин, нефть и бензол, прекрасные качества которых нам хорошо известны. Бензин добывается из нефти или из каменного угля. Его нижняя теплотворная способность составляет примерно 200 Кал/кг; температура кипения 60— 120°С; удельный вес 0,7—0,74 т/мг; вязкость 1°Е; температура воспламенения 55—25° С; самовозгорание — при 475—530° С. Он состоит главным образом из членов метанового ряда: CSH, CUH, CTH, С0Н и т.д. Представляет собой бесцветную жидкость. Газойль добывается из нефти: нижняя теплотворная способность около 10250 Кал/кг; температура кипения 250— 350° С; удельный вес 0,865—0,895 вязкость от 1,5 до 2,5° Е при 20° С; температура воспламенения 65—85° С; самовозгорание (детонация) — при 350° С, точка затвердевания — 20° С; он состоит главным образом из углеводородов. Бензол добывается из каменноугольного дегтя или светильного газа (каменноугольный бензин); нижняя теплотворная способность примерно 9600 Кал/кг; точка воспламенения — 15° С; самовозгорание — около 730° С; точка затвердевания -г 5,5° С; при наличии обычных загрязнений эта точка понижается. Состоит главным образом из CuHtl с примесью C8HU и т. п. Подвижная бесцветная жидкость. Углерод и спирт ввиду своей незначительной теплотворной способности почти не имеют значения для ракетных двигателей.
Носители кислорода
Рассмотренные нами горючие требуют для возможности образования тепловой энергии еще кислорода. В авиации пока применяется самый простой способ подвода кислорода, т.е. забор его из атмосферы; в самом самолете содержится лишь одно горючее. Согласно существующим предположениям содержание кислорода в воздухе до высоты, примерно, в 100 км понижается приблизительно до нуля в линейной зависимости, так что на интересующих нас высотах мы будем иметь дело с атмосферой, содержащей еще кислород. Мысль получить необходимый для ракетного двигателя кислород непосредственно из атмосферы чрезвычайно заманчива, тем более, что остальные газы, из которых состоит воздух (азот, гелий и т.п.), могут найти себе также применение в качестве нейтральных масс и для уменьшения процесса диссоциации. Своеобразие рассматриваемых нами траекторий полетов, состоящее в том, что в течение большей части пути при максимальной работе мотора скоростной напор воздуха, несмотря на уменьшение плотности, остается постоянным, по-видимому, также будет оказывать благоприятное действие. Несмотря на все это, мы не будем рассматривать этой возможности получения кислорода по следующим соображениям. Давление атмосферы на интересующих нас высотах настолько мало, что им вполне можно пренебречь по сравнению со скоростным напором при скорости полета в 360 км/час вблизи земли. Повышение давления воздуха от того начального сжатия, которое обусловливается скоростным напором (примерно 625 кг/м2), до того давления, которое требуется при подаче в камеру сгорания даже при наличии ракеты, работающей при переменном давлении, а именно 30000—40000 кг/мг, практически невозможно при существующих в данное время компрессорах для наддува, равно как невозможна и подача таких огромных количеств воздуха. Для наивысших точек траектории, где при увеличении влияния инерционного действия кривизны пути скоростной напор быстро уменьшается, во всяком случае, следовало бы везти с собой на самолете необходимое количество кислорода. Подача жидкого топлива в камеру ракеты представляет гораздо меньше затруднений, нежели газообразных видов топлива, и позволяет перейти к двигателям, работающим при постоянном давлении, более плавно и с более высоким внутренним коэффициентом полезного действия. Кроме того, у этих двигателей отпадает необходимость установки специального зажигательного и других вспомогательных устройств, которые всегда могут повести к неполадкам. Кроме того, обеспечивается полная независимость и цельность ракетного самолета вплоть до максимальных интересующих нас высот, соответствующих скорости вращения земли лишь в том случае, если на самолете имеется необходимый для работы запас кислорода, что находит себе подтверждение в имеющихся теоретических трудах. Наконец, вопрос о том, что в высших слоях стратосферы имеется достаточный запас кислорода, пока еще является недоказанной гипотезой. Поэтому необходимый для сгорания кислород должен полностью забираться заранее самолетом. Для этого имеются следующие возможности. Имеется целый ряд химических носителей кислорода (например, селитра, издавна применявшаяся для ракет). Все эти вещества, кроме кислорода, содержат еще большие или меньшие количества бесполезного балласта. Некоторые из них и вовсе не представляют никакого интереса ввиду их химических свойств (например HNO,) или ввиду получающихся при их применении отходов (например, HCI). Хлорнокислый калий, калийная селитра и азотная кислота непригодны еще и потому, что для выделения кислорода требуются значительные количества энергии (отрицательная теплота диссоциации). Сравнительно высококачественный азотный ангидрид дорог, ядовит и сильно взрывчат. При 0°С он представляет собой твердые ромбовидные кристаллы, плавится при 33С и кипит при 50° С. Азотный ангидрид — весьма нестойкое соединение, он взрывается весьма часто без всякой видимой причины, распадаясь на двуокись азота и кислород. Совершенно особое положение занимает перекись водорода. Из абсолютного количества кислорода в нем использовать возможно при имеющихся у нас условиях лишь часть его, так что мы можем рассчитывать на получение всего лишь 47,2% кислорода от общего веса. Однако при выделении кислорода освобождается значительное количество энергии (1323 Кал/кг), что значительно повышает интерес к этому веществу. Перекись водорода — жидкость, не имеющая ни запаха, ни цвета. При значительной толщине слоя жидкость эта приобретает голубоватый оттенок. Удельный вес ее равен 1,458; точка плавления близка к—2° С. При обыкновенной температуре она медленно испаряется. Разложение происходит в неразбавленном состоянии или в концентрированном растворе, иногда в виде взрыва, особенно в присутствии даже небольших следов катализаторов (щелочей или тяжелых металлов). Процесс разложения можно замедлить при помощи известных стабилизаторов. В чистом виде Н1СХ, очень дорог. Весьма своеобразным, а в некоторых случаях и еще более интересным носителем кислорода является жидкий озон. Кроме того, что он вполне свободен от всякого балласта, при разложении его по формуле 20Л=ЗОи освобождается энергия на каждый килограмм озона, которая добавляется к тепловой энергии топлива. Жидкий озон представляет собой маслянистую темно-синюю жидкость. Его точка кипения в нормальных условиях составляет — 112°С; точка плавления — 251,4°С; критическое давление 67 кг/см2; теплота испарения 73 Кол/кг; удельный вес 1,71. Сравнительно высокая точка кипения позволяет несколько понизить требования, предъявляемые в отношении материалов, из которых изготовляются баки, а также и в отношении изоляции. Значительная плотность дает возможность уменьшить размеры баков. Его недостатками являются: а) способность окислять большинство металлов, б) вредность для здоровья его паров (при сильной концентрации) и в) сильная взрывчатость его газообразных продуктов испарения. Возможность устранения этого последнего недостатка путем введения каких-либо защитных газов должна быть выяснена путем соответственных опытов; выяснение этого вопроса весьма желательно ввиду того, что жидкий озон обладает в остальном весьма большими преимуществами. Пока можно прийти к тому заключению, что жидкий кислород как с кинетической точки зрения, так и из соображений чисто конструктивного характера является наилучшим носителем кислорода. Он представляет собой светло-голубую подвижную жидкость (подобную воде), отвечающую характеристике: точка кипения в нормальных условиях—1830; точка плавления—219°С; критическое давление 51 кг/см2; теплота испарения 51 Кал/кг; удельный вес 1,143 г/л. Как точка кипения, так и удельный вес кислорода дают гораздо менее благоприятные цифры, нежели у жидкого озона, а весьма ценная теплота диссоциации вовсе отсутствует.
Сжиженные газы
Так как при проектировании ракетных двигателей газы играют выдающуюся роль и по имеющимся в нашем распоряжении данным действительно представляют в этом отношении значительный интерес, а свойства их сравнительно мало известны, мы ниже вкратце перечислим их. Агрегатное состояние любого тела зависит от давления и температуры, а именно — при увеличении давления или понижении температуры наблюдается стремление перейти в более плотное агрегатное состояние, следовательно, наступает превращение газов в жидкость. Однако влияние обоих вышеназванных факторов — давления и температуры — находится в известной зависимости одно от другого, поскольку та температурная область, в которой определенное вещество может существовать в виде газа, жидкости или твердого тела, перемещается в ту или другую сторону в зависимости от давления и наоборот. Нас интересуют главным образом те цифры, которые характеризуют переход от жидкого в газообразное состояние, а в особенности те максимальные температуры, при которых данное вещество уже не может более существовать в жидком состоянии. Критической температурой, как известно, называется максимальная из предельных температур между жидким и газообразным состоянием (температура кипения), которая соответствует различным давлениям Соответствующие этой максимально возможной температуре величины, определяющие состояние газа, называются критическими величинами состояния, например «критическое давление». При более низких давлениях температура кипения также будет более низкой; температура кипения при нормальном атмосферном давлении называется нормальной температурой кипения. Если мы предположим для большей наглядности, что работа будет происходить при нормальном атмосферном давлении в 760 ММ рт.ст. (так как обычно при таком давлении нам и приходится иметь дело с жидкими газами), то нормальная температура кипения некоторых веществ будет составлять: алюминия 1800°С, ртути 357°С, воды 100°С, углекислоты —78,5°С, метана—164°С, кислорода—183°С, азота—196°С и водорода — 253° С. Соответственные температуры плавления, т.е. граничные температуры между жидким и твердым агрегатным состоянием при нормальном атмосферном давлении, будут такие: алюминий 658° С, вода 0°С, ртуть — 38,9° С, углекислота — 79° С, эфир — 118°С, метан — 184°С, азот — 219°С, водород — 257°С. Из этих примеров мы непосредственно можем вывести заключение, какие вещества при температурах, встречающихся в нашей повседневной жизни, встретятся нам в виде твердых, жидких или газообразных тел. В температурных областях выше точки кипения вещество может существовать только в газообразном состоянии, а в областях выше точки плавления только как жидкое тело. Особенно интересующие нас жидкие газы — кислород и водород— имеют чрезвычайно низкую точку кипения, и при хранении этих газов температура должна постоянно поддерживаться ниже их точек кипения. Так как в нормальных условиях им чрезвычайно быстро сообщается теплота окружающей среды (вследствие огромной разницы температур), то это ведет благодаря незначительной теплоте испарения (51 и 109 Кал/кг) к энергичному испарению, которое можно удержать в допустимых границах путем тщательной изоляции. Для этой цели пользуются дюаровскими сосудами с двойными стенками, причем из пространства между ними тщательно удаляется воздух с целью уменьшения теплопроводности. Стенки сосуда, обращенные к вакууму, серебрятся для того, чтобы уменьшить лучеиспускание. Несмотря на это, сосуды эти нельзя закрывать, так как иначе давление пара в очень короткое время разрушило бы их. Металлы, непосредственно соприкасающиеся с газами, воспринимают быстро их температуру, прячем сопротивление их и предел упругости значительно возрастают, а вязкость в той же мере падает, так что сталь по своей чувствительности к ударам начинает походить на стекло. Брызги жидкости при попадании на кожу сначала не оказывают особого вреда, так как непосредственному соприкосновению мешает явление, сходное с феноменом Лейденфроста. Но если эти капельки растереть на коже, то в результате получаются тяжелые ожоги.
Выбор компонентов топлива
Если отказаться от веществ, способных к самостоятельной отдаче энергии, по указанным выше причинам, то практически нам придется выбрать только жидкий водород или обыкновенное жидкое топливо. Поскольку, однако, особое значение имеет минимальный вес при имеющемся запасе энергии, а также и обеспечение возможно больших скоростей отходящих газов, а вместе с тем и хорошего внешнего коэффициента полезного действия, то пока придется остановиться на жидком водороде. По мнению авторитетных космонавтов, максимальные скорости отходящих газов обеспечиваются при этом не стехиометрическим отношением водорода к кислороду, но (имея в виду явления диссоциации) отношением: I весовая часть водорода к 2,6 весовой части кислорода. Благодаря благотворному влиянию избыточного водорода при применении таких смесей достигаются скорости отходящих газов свыше 4000 М/сек. Хотя жидкий гремучий газ и обладает несколько более высокой теплотворной способностью, чем, например, смесь бензина с кислородом, однако он в то же время обладает и рядом серьезных недостатков. Вследствие применения совершенно неисследованного горючего вместо бензина в опытную конструкцию ракетного двигателя вводится новый, увеличивающий ненадежность, фактор. Смеси бензин + жидкий кислород выделяет энергии 10е кем, то для получения того же количества энергии от наиболее выгодной смеси гремучего газа потребуется бак в 4,2 раза больше, вследствие чего значительно увеличиваются размеры самолета, вес, сопротивление воздуха и т. п. Баки для гремучего газа, изготовленные в виде дюаровских сосудов, будут значительно больше и тяжелее бензиновых баков, изготовляемых обычно из легких металлов, так что кажущееся преимущество меньшего веса на единицу энергии, получаемую от гремучего газа, по всей вероятности вполне уравновешивается. При заполнении баков жидким гремучим газом нельзя будет избежать значительных потерь вследствие испарения. Значительные трудности должны будут встретиться при выборе материала для баков, так как низкие температуры водорода влекут за собой ухудшения свойств материалов; вследствие этого придется, быть может, вместо легких металлов применять для баков гремучего газа медь и свинец. Придется столкнуться с конструктивными трудностями, имея в виду поведение строительных материалов при столь больших разницах в температуре, с какими нам придется иметь дело, а именно от — 250° до 3000оС. Трудности при обращении и применении указанных горючих ввиду постоянной опасности возгорания составных частей выбранной смеси при случайном трении. Опасность взрыва баков вследствие энергичного испарения гремучего газа при нагревании. Сложный и отнимающий много времени уход за баками (охлаждение баков жидкими вспомогательными газами и т. п.). Опасность обледенения фюзеляжа в том случае, если самолет будет выполнен в виде летающей лодки, вследствие чего возникает опасность при старте. Значительно большая цена водорода по сравнению с бензином. Трудность получения его на местах приземления, а потому необходимость устройства соответственных дорогостоящих приспособлений для его хранения и т. п. Эти и другие причины заставляют нас разобрать возможности применения других компонентов топлива, тем более, что их теплотворные способности не так сильно отличаются от теплотворной способности водорода и некоторые преимущества одного из сортов горючего в этом отношении могут быть уравновешены какими-либо другими менее важными свойствами другого. Поэтому мы выбрали несколько компонентов топлива, из которых и попробуем сделать выбор наиболее пригодных для ракетного двигателя. Оптимальная комбинация может быть, конечно, выявлена, прежде всего на основе более точных конструктивных расчетов и предварительных опытов. Ввиду слишком больших размеров баков и необходимости тщательной их изоляции придется прежде всего отказаться от комбинации с водородом. Если, по приведенным выше основаниям, вычеркнуть из числа возможных окислителей также озон и азотный ангидрид, то в конце концов нам останутся для выбора лишь комбинации 6 и 7. Принимая, что трудности, связанные с хранением кислорода, удается преодолеть, имея в виду более высокую теплотворную способность комбинации 6 и неприятные свойства перекиси водорода, нам придется окончательно остановить свой выбор на комбинации 6, т. е. смесь бензина с жидким кислородом, каковую мы и положим в основание наших дальнейших расчетов. Бензин может также заменяться высококипящими дести л-латами сырой нефти или каменноугольного дегтя (газойль, тяжелое топливо и т. п.) после соответственной и тщательной проверки опытным путем степени их пригодности, так как они дешевле бензина и обладают большей способностью поглощать тепло до процесса кипения, нежели бензин, при той же теплотворной способности.
Таблицы топлив
Теплотворная способность, указанная в таблицах, отнесена везде к тому случаю, когда топливо до и после сгорания имеет температуру, равную + 15°С, и давление, равное 1 атм. При этом некоторая часть теплоты, получающейся при сгорании, расходуется на нагревание горючего и кислорода до 15°С, а остальная часть теплоты выделяется путем охлаждения продуктов сгорания, соответствующей нормальному давлению в 1 атм. Теоретическая скорость истечения горючего отношению к двигателю рассчитывается из разницы энергий Е на килограмм массы отходящих газов m. Теоретический импульс наглядно показывает, с какой силой (в кг в секунду) приводится в движение самолет, если в единицу времени будет расходоваться 1 кг топлива, находящегося на самолете. Кислород и нейтральный газ забираются из окружающей атмосферы и, следовательно, не содержатся в самом самолете. Теоретический импульс, равный теоретической скорости отходящих газов умноженной на действительную массу отходящих газов т, отнесен там, следовательно, не к единице веса отходящих газов (отброса), но к единице веса забираемого из бака в секунду топлива. Большие преимущества использования вспомогательных масс из атмосферы становятся при этом очевидными.