Gaz pędny

Propelent (lub propelent ) to masa , która jest wyrzucana lub rozszerzana w taki sposób, aby wytworzyć ciąg lub inną siłę napędową zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona i „ napędzać” pojazd, pocisk lub ładunek płynny . W pojazdach silnik, który wyrzuca paliwo, nazywany jest silnikiem reakcyjnym . Chociaż z technicznego punktu widzenia propelent jest masą reakcyjną używaną do wytworzenia ciągu, termin „propelent” jest często używany do opisania substancji, która zawiera zarówno masę reakcyjną, jak i paliwo, które przechowuje energię wykorzystywaną do przyspieszenia masy reakcyjnej. Na przykład termin „materiał pędny” jest często używany w projektowaniu rakiet chemicznych do opisania połączonego paliwa / paliwa, chociaż propelentów nie należy mylić z paliwem który jest używany przez silnik do wytwarzania energii, która wyrzuca paliwo. Chociaż produkty uboczne substancji używanych jako paliwo są również często używane jako masa reakcyjna do wytworzenia ciągu, na przykład w chemicznym silniku rakietowym, paliwo i paliwo to dwie różne koncepcje.

Pojazdy mogą używać paliw napędowych do poruszania się, wyrzucając paliwo do tyłu, co tworzy przeciwną siłę, która porusza pojazd do przodu. Pociski mogą wykorzystywać propelenty, które są rozprężającymi się gazami, które zapewniają siłę napędową do wprawienia pocisku w ruch. Puszki aerozolowe wykorzystują propelenty, które są sprężonymi płynami, tak że gdy propelent może się wydostać przez zwolnienie zaworu, energia zmagazynowana w wyniku sprężania usuwa propelent z puszki i ten propelent wypycha ładunek aerozolu wraz z propelentem. Sprężony płyn może być również używany jako prosty propelent pojazdu, przy czym energia potencjalna zmagazynowana w sprężonym płynie jest wykorzystywana do wyrzucania płynu jako propelentu. Energia zmagazynowana w płynie była dodawana do układu, gdy płyn był sprężany, np sprężone powietrze . Energia dostarczana do pompy lub układu termicznego, która jest wykorzystywana do sprężania powietrza, jest magazynowana do momentu jej uwolnienia poprzez umożliwienie ucieczki paliwa. Sprężony płyn może być również używany tylko jako magazyn energii wraz z inną substancją jako propelentem, na przykład w przypadku rakiety wodnej , gdzie energia zmagazynowana w sprężonym powietrzu jest paliwem, a woda jest propelentem.

W statkach kosmicznych napędzanych elektrycznie energia elektryczna jest wykorzystywana do przyspieszania paliwa. Siła elektrostatyczna może być użyta do wyrzucenia jonów dodatnich lub siła Lorentza może zostać użyta do wyrzucenia jonów ujemnych i elektronów jako propelenta. Silniki elektrotermiczne wykorzystują siłę elektromagnetyczną do podgrzewania gazów o niskiej masie cząsteczkowej (np. wodoru, helu, amoniaku) w plazmę i wyrzucania plazmy jako paliwa. W przypadku rakietowego oporowo-odrzutowego sprężone paliwo jest po prostu podgrzewane za pomocą ogrzewania rezystancyjnego gdy jest wyrzucany, aby stworzyć większy ciąg.

W rakietach chemicznych i samolotach paliwa są wykorzystywane do wytwarzania energetycznego gazu, który można skierować przez dyszę , wytwarzając w ten sposób ciąg. W rakietach spalanie paliwa rakietowego powoduje powstanie spalin, a wyczerpany materiał jest zwykle wyrzucany jako paliwo pod ciśnieniem przez dyszę . Materiałem wylotowym może być gaz , ciecz , plazma lub ciało stałe . W statkach powietrznych z napędem bez śmigieł, takich jak odrzutowce , paliwo jest zwykle produktem spalania paliwa z tlenem atmosferycznym, tak że uzyskany produkt miotający ma większą masę niż paliwo przewożone w pojeździe.

Proponowane rakiety fotonowe wykorzystywałyby relatywistyczny pęd fotonów do wytworzenia ciągu. Chociaż fotony nie mają masy, nadal mogą działać jako paliwo, ponieważ poruszają się z prędkością relatywistyczną, tj. prędkością światła. W tym przypadku trzecia zasada dynamiki Newtona jest niewystarczająca do modelowania fizyki i należy zastosować fizykę relatywistyczną .

W rakietach chemicznych reakcje chemiczne są wykorzystywane do wytwarzania energii , która powoduje ruch płynu , który jest używany do wyrzucania produktów tej reakcji chemicznej (a czasami innych substancji) jako propelentów. Na przykład w prostym silniku wodorowo-tlenowym wodór jest spalany (utleniany) w celu wytworzenia H2O, a energia z reakcji chemicznej jest wykorzystywana do usuwania wody (pary) w celu zapewnienia ciągu. Często w chemicznych silnikach rakietowych paliwo zawiera substancję o większej masie cząsteczkowej, aby zapewnić większą masę reakcyjną.

Paliwo rakietowe może być wyrzucane przez dyszę rozprężną jako zimny gaz, to znaczy bez energicznego mieszania i spalania, w celu zapewnienia niewielkich zmian prędkości statku kosmicznego za pomocą silników odrzutowych z zimnym gazem , zwykle jako silników manewrowych.

Aby osiągnąć użyteczną gęstość do przechowywania, większość propelentów przechowuje się w postaci stałej lub ciekłej.

Propelenty do pojazdów

Główne artykuły: paliwo rakietowe i napęd odrzutowy

Paliwo rakietowe to masa , która jest wyrzucana z pojazdu, takiego jak rakieta, w taki sposób, aby wytworzyć ciąg zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona i „napędzać” pojazd do przodu. Silnik, który wyrzuca paliwo, nazywany jest silnikiem reakcyjnym . Chociaż termin „materiał pędny” jest często używany w konstrukcjach rakiet chemicznych do opisania mieszanki paliwowo-pędnej, propelentów nie należy mylić z paliwem który jest używany przez silnik do wytwarzania energii, która wyrzuca paliwo. Chociaż produkty uboczne substancji używanych jako paliwo są również często używane jako masa reakcyjna do wytworzenia ciągu, na przykład w chemicznym silniku rakietowym, paliwo i paliwo to dwie różne koncepcje.

W statkach kosmicznych napędzanych elektrycznie energia elektryczna jest wykorzystywana do przyspieszania paliwa. Siła elektrostatyczna może być użyta do wyrzucenia jonów dodatnich lub siła Lorentza może zostać użyta do wyrzucenia jonów ujemnych i elektronów jako propelenta. Silniki elektrotermiczne wykorzystują siłę elektromagnetyczną do podgrzewania gazów o niskiej masie cząsteczkowej (np. wodoru, helu, amoniaku) w plazmę i wyrzucania plazmy jako paliwa. W przypadku rakietowego oporowo-odrzutowego sprężone paliwo jest po prostu podgrzewane za pomocą ogrzewania rezystancyjnego gdy jest wyrzucany, aby stworzyć większy ciąg.

W rakietach chemicznych i samolotach paliwa są wykorzystywane do wytwarzania energetycznego gazu, który można skierować przez dyszę , wytwarzając w ten sposób ciąg. W rakietach spalanie paliwa rakietowego powoduje powstanie spalin, a wyczerpany materiał jest zwykle wyrzucany jako paliwo pod ciśnieniem przez dyszę . Materiałem wylotowym może być gaz , ciecz , plazma lub ciało stałe . W statkach powietrznych z napędem bez śmigieł, takich jak odrzutowce , paliwo jest zwykle produktem spalania paliwa z tlenem atmosferycznym, tak że uzyskany produkt miotający ma większą masę niż paliwo przewożone w pojeździe.

Propelent lub paliwo może również być po prostu sprężonym płynem, przy czym energia potencjalna, która jest zmagazynowana w sprężonym płynie, jest wykorzystywana do wyrzucania płynu jako propelentu. Energia zmagazynowana w płynie była dodawana do układu, gdy płyn był sprężany, na przykład sprężone powietrze . Energia dostarczana do pompy lub układu termicznego, która jest wykorzystywana do sprężania powietrza, jest magazynowana do momentu jej uwolnienia poprzez umożliwienie ucieczki paliwa. Sprężony płyn może być również używany tylko jako magazyn energii wraz z inną substancją jako propelentem, na przykład w rakiecie wodnej , gdzie energia zmagazynowana w sprężonym powietrzu jest paliwem, a woda jest propelentem.

Proponowane rakiety fotonowe wykorzystywałyby relatywistyczny pęd fotonów do wytworzenia ciągu. Chociaż fotony nie mają masy, nadal mogą działać jako paliwo, ponieważ poruszają się z prędkością relatywistyczną, tj. prędkością światła. W tym przypadku trzecia zasada dynamiki Newtona jest niewystarczająca do modelowania fizyki i należy zastosować fizykę relatywistyczną .

W rakietach chemicznych reakcje chemiczne są wykorzystywane do wytwarzania energii , która powoduje ruch płynu , który jest używany do wyrzucania produktów tej reakcji chemicznej (a czasami innych substancji) jako propelentów. Na przykład w prostym silniku wodorowo-tlenowym wodór jest spalany (utleniany) w celu wytworzenia H2O, a energia z reakcji chemicznej jest wykorzystywana do usuwania wody (pary) w celu zapewnienia ciągu. Często w chemicznych silnikach rakietowych paliwo zawiera substancję o większej masie cząsteczkowej, aby zapewnić większą masę reakcyjną.

Paliwo rakietowe może być wyrzucane przez dyszę rozprężną jako zimny gaz, to znaczy bez energicznego mieszania i spalania, w celu zapewnienia niewielkich zmian prędkości statku kosmicznego za pomocą silników odrzutowych z zimnym gazem , zwykle jako silników manewrowych.

Aby osiągnąć użyteczną gęstość do przechowywania, większość propelentów przechowuje się w postaci stałej lub ciekłej.

Propelenty mogą być zasilane energią w wyniku reakcji chemicznych w celu usunięcia ciała stałego, cieczy lub gazu. Energia elektryczna może być wykorzystywana do usuwania gazów, plazmy, jonów, ciał stałych lub cieczy. Fotony mogą być użyte do zapewnienia ciągu poprzez relatywistyczny pęd.

Zasilany chemicznie

Stały propelent

Dalsze informacje: paliwo stałe i rakieta na paliwo stałe

Propelenty, które eksplodują podczas pracy, mają obecnie niewielkie praktyczne zastosowanie, chociaż przeprowadzono eksperymenty z silnikami detonacyjnymi impulsowymi . Również nowo zsyntetyzowane związki na bazie bishomocubanów są rozważane na etapie badań jako zarówno stałe, jak i ciekłe propelenty przyszłości.

Ziarno

Paliwa stałe/propelenty są stosowane w formach zwanych ziarnami . Ziarno to dowolna pojedyncza cząsteczka paliwa/materiału napędowego, niezależnie od wielkości i kształtu. Kształt i wielkość ziarna determinuje czas spalania, ilość gazu i szybkość wytwarzania energii ze spalania paliwa, aw konsekwencji profil ciągu w funkcji czasu.

Istnieją trzy rodzaje oparzeń, które można uzyskać przy użyciu różnych ziaren.

Progresywne wypalanie
Zwykle ziarno z wieloma perforacjami lub gwiazda wycięta pośrodku zapewnia dużą powierzchnię.
Wypalanie degresywne
Zwykle stałe ziarno w kształcie walca lub kuli.
Oparzenie neutralne
Zwykle pojedyncza perforacja; gdy powierzchnia zewnętrzna maleje, powierzchnia wewnętrzna rośnie w tym samym tempie.
Kompozycja

Istnieją cztery różne rodzaje mieszanek paliw stałych/propelentów:

Paliwo/materiał pędny na bazie pojedynczej
Paliwo/materiał pędny na bazie pojedynczej ma nitrocelulozę jako główny składnik materiału wybuchowego. Stabilizatory i inne dodatki służą do kontrolowania stabilności chemicznej i polepszania jej właściwości.
Paliwo/materiał pędny dwuskładnikowy
Paliwo/materiał pędny dwuskładnikowy składa się z nitrocelulozy z dodatkiem nitrogliceryny lub innych ciekłych azotanów organicznych materiałów wybuchowych. Stosowane są również stabilizatory i inne dodatki. Nitrogliceryna redukuje dymienie i zwiększa wydatek energetyczny. Paliwo/materiały miotające o podwójnej bazie są stosowane w broni strzeleckiej, armatach, moździerzach i rakietach.
Potrójne paliwo / propelent
Potrójne paliwo/materiały pędne składają się z nitrocelulozy, nitroguanidyny, nitrogliceryny lub innych ciekłych organicznych azotanów materiałów wybuchowych. W armatach stosuje się potrójne paliwo / propelenty .
Kompozyty
Kompozyty nie zawierają nitrocelulozy, nitrogliceryny, nitroguanidyny ani żadnego innego azotanu organicznego jako podstawowego składnika. Kompozyty zwykle składają się z paliwa, takiego jak metaliczne aluminium, palnego spoiwa, takiego jak kauczuk syntetyczny lub HTPB i utleniacz, taki jak nadchloran amonu. Kompozytowe paliwa / propelenty są używane w dużych silnikach rakietowych. W niektórych zastosowaniach, takich jak amerykański pocisk SLBM Trident II, nitrogliceryna jest dodawana do kompozytu nadchloranu glinu i amonu jako plastyfikator energetyczny.

Płynny propelent

Dalsze informacje: paliwo płynne i rakieta na paliwo ciekłe

W rakietach stosuje się trzy główne ciekłe kombinacje bipropelentów: kriogeniczny tlen i wodór, kriogeniczny tlen i węglowodór oraz propelenty magazynowalne.

Kriogeniczny system łączenia tlenu z wodorem
Stosowany w górnych stopniach, a czasem w stopniach wspomagających kosmicznych systemów startowych. To nietoksyczna kombinacja. Daje to wysoki impuls właściwy i idealnie nadaje się do misji o dużej prędkości
Kriogeniczny układ tlenowo-węglowodorowy
Wykorzystywany w wielu stopniach wspomagania kosmicznych pojazdów nośnych , jak również w mniejszej liczbie drugich stopni . Ta kombinacja paliwa/utleniacza ma dużą gęstość, a zatem pozwala na bardziej zwartą konstrukcję wzmacniacza.
Możliwość przechowywania kombinacji propelentów
Stosowany w prawie wszystkich dwupropelentnych silnikach rakietowych o niskim ciągu, pomocniczych lub sterowanych reakcją , a także w niektórych dużych silnikach rakietowych pierwszego i drugiego stopnia pocisków balistycznych. Uruchamiają się natychmiast i nadają się do długotrwałego przechowywania.

Kombinacje propelentów stosowane w rakietach na paliwo ciekłe obejmują:

Typowy monopropelent stosowany w silnikach rakietowych na paliwo ciekłe obejmuje:

  • Nadtlenek wodoru
  • Hydrazyna
  • Czerwony dymiący kwas azotowy (RFNA)

Zasilany elektrycznie

Główny artykuł: Elektryczny napęd statku kosmicznego

Silniki reaktywne zasilane elektrycznie wykorzystują różne zwykle zjonizowane propelenty, w tym jony atomowe, plazmę, elektrony lub małe kropelki lub cząstki stałe jako propelent.

Elektrostatyczny

Główny artykuł: silnik jonowy

Jeśli przyspieszenie jest spowodowane głównie siłą Coulomba (tj. przyłożeniem statycznego pola elektrycznego w kierunku przyspieszenia), urządzenie uważa się za elektrostatyczne. Rodzaje napędów elektrostatycznych i ich napędy:

elektrotermiczne

Są to silniki, które wykorzystują pola elektromagnetyczne do generowania plazmy , która jest wykorzystywana jako paliwo. Używają dyszy do kierowania napędzanego paliwem. Sama dysza może składać się po prostu z pola magnetycznego. Gazy o niskiej masie cząsteczkowej (np. wodór, hel, amoniak) są preferowanymi propelentami dla tego rodzaju układu.

Elektromagnetyczny

Główny artykuł: silnik napędowy plazmy

Pędniki elektromagnetyczne wykorzystują jako paliwo jony, które są przyspieszane przez siłę Lorentza lub pola magnetyczne, z których każde jest generowane przez elektryczność:

Jądrowy

Reakcje jądrowe mogą być wykorzystane do wytworzenia energii potrzebnej do wyrzucenia propelentów. Wiele typów reaktorów jądrowych zostało wykorzystanych / zaproponowanych do produkcji energii elektrycznej do napędu elektrycznego, jak opisano powyżej. Jądrowy napęd impulsowy wykorzystuje serię wybuchów jądrowych do wytworzenia dużych ilości energii w celu usunięcia produktów reakcji jądrowej jako paliwa. Jądrowe rakiety termiczne wykorzystują ciepło reakcji jądrowej do podgrzania paliwa. Zwykle propelentem jest wodór, ponieważ siła jest funkcją energii niezależnie od masy propelentu, więc najlżejszy propelent (wodór) wytwarza największą konkretny impuls .

Fotoniczny

Zobacz też: Napęd laserowy i Rakieta fotonowa

Reaktywny silnik fotoniczny wykorzystuje fotony jako paliwo i ich dyskretną energię relatywistyczną do wytwarzania ciągu.

Propelenty pocisków

Zobacz także: Proch strzelniczy , Proch bezdymny i Nabój (broń palna) § Propelent

Sprężone płynne propelenty

Sprężony płyn lub sprężone propelenty gazowe są pod ciśnieniem fizycznym, raczej przez sprężarkę niż w wyniku reakcji chemicznej. Ciśnienia i gęstości energii, które można osiągnąć, choć niewystarczające dla wysokowydajnych rakiet i broni palnej, są odpowiednie dla większości zastosowań, w którym to przypadku sprężone płyny stanowią prostsze, bezpieczniejsze i bardziej praktyczne źródło ciśnienia paliwa.

Sprężonym płynnym propelentem może być po prostu gaz pod ciśnieniem lub substancja, która jest gazem pod ciśnieniem atmosferycznym, ale przechowywana pod ciśnieniem jako ciecz.

Sprężone propelenty gazowe

W zastosowaniach, w których używana jest duża ilość propelentu, takich jak mycie ciśnieniowe i aerograf , powietrze może być sprężane przez sprężarkę i natychmiast używane. Ponadto pompa ręczna do sprężania powietrza może być używana ze względu na swoją prostotę w zastosowaniach o niskim poziomie technologii, takich jak rozpylacze , rozpylacze do roślin i rakiety wodne . Najprostszym przykładem takiego systemu są wyciskane butelki na takie płyny jak ketchup i szampon.

Jednak sprężone gazy są niepraktyczne jako przechowywane propelenty, jeśli nie skraplają się wewnątrz pojemnika do przechowywania, ponieważ do przechowywania jakiejkolwiek znaczącej ilości gazu wymagane są bardzo wysokie ciśnienia, a wysokociśnieniowe butle gazowe i regulatory ciśnienia są drogie i ciężkie .

Płynne propelenty gazowe

Zobacz także: Aerosol_spray § Aerosol_propelents

Zasada

Skroplone propelenty gazowe to gazy pod ciśnieniem atmosferycznym, ale stają się ciekłe przy niewielkim ciśnieniu. To ciśnienie jest wystarczająco wysokie, aby zapewnić użyteczny napęd ładunku (np. farby w aerozolu, dezodorantu, smaru), ale jest wystarczająco niskie, aby można je było przechowywać w niedrogiej metalowej puszce i nie stwarzało zagrożenia dla bezpieczeństwa w przypadku pęknięcia puszki.

Mieszanina ciekłego i gazowego propelenta wewnątrz puszki utrzymuje stałe ciśnienie, zwane prężnością pary cieczy . Gdy ładunek jest wyczerpany, propelent odparowuje, wypełniając wewnętrzną objętość puszki. Ciecze są zwykle 500-1000 razy gęstsze niż odpowiadające im gazy pod ciśnieniem atmosferycznym; nawet przy wyższym ciśnieniu wewnątrz puszki tylko niewielka część jej objętości musi być propelentem, aby wyrzucić ładunek i zastąpić go oparami.

Odparowanie ciekłego propelentu do gazu wymaga pewnej energii, entalpii parowania , która chłodzi układ. Zwykle jest to nieistotne, chociaż czasami może być niepożądanym efektem intensywnej eksploatacji (w miarę stygnięcia układu spada prężność pary paliwa). Jednak w przypadku sprayu zamrażającego to chłodzenie przyczynia się do uzyskania pożądanego efektu (chociaż spray zamrażający może również zawierać inne składniki, takie jak chloroetan , o niższej prężności par, ale wyższej entalpii parowania niż propelent).

Związki propelentów

Chlorofluorowęglowodory (CFC) były kiedyś często używane jako propelenty[18], ale od czasu wejścia w życie protokołu montrealskiego w 1989 r. zostały one zastąpione w prawie każdym kraju ze względu na negatywny wpływ CFC na warstwę ozonową Ziemi. Najczęstszymi zamiennikami CFC są mieszaniny lotnych węglowodorów, zwykle propanu, n-butanu i izobutanu.[19] Stosuje się również eter dimetylowy (DME) i eter metylowo-etylowy. Wszystkie one mają tę wadę, że są łatwopalne. Podtlenek azotu i dwutlenek węgla są również używane jako propelenty do dostarczania artykułów spożywczych (na przykład bita śmietana i spray do gotowania). Aerozole lecznicze, takie jak inhalatory astmy, wykorzystują hydrofluoroalkany (HFA): albo HFA 134a (1,1,1,2-tetrafluoroetan), albo HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropan) albo kombinacje dwójka. Niedawno ciekłe propelenty wodorofluoroolefinowe (HFO) stały się szerzej stosowane w systemach aerozolowych ze względu na ich stosunkowo niską prężność par, niski współczynnik ocieplenia globalnego (GWP) i niepalność.

Ładunki

Praktyczność płynnych propelentów gazowych pozwala na szeroką gamę ładunków. Aerozole , w których ciecz jest wyrzucana jako spray, obejmują farby, smary, odtłuszczacze i powłoki ochronne; Dezodoranty i inne produkty do higieny osobistej; oleje kuchenne. Niektóre ciekłe ładunki nie są rozpylane z powodu niższego ciśnienia propelenta i / lub lepkiego ładunku, jak w przypadku bitej śmietany i kremu do golenia lub żelu do golenia. Pistolety o małej mocy, takie jak pistolety BB , pistolety do paintballa i pistolety ASG , mają solidne ładunki pocisków. Wyjątkowo w przypadku a prochowiec gazowy („powietrze w puszkach”), jedynym ładunkiem użytecznym jest prędkość samych oparów paliwa.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Propellant&oldid=1133288866 ”