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CE QU'IL FAUT SAVOIR SUR LES CARBURANTS DE ROCHE

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Alors, supposons que vous ne soyez pas seulement engagés dans la construction de fusées, mais aussi dans la conception de moteurs de fusées ou dans le développement de nouveaux carburants alternatifs solides. Bien sûr, vous pouvez utiliser les carburants pour fusées qui vous sont proposés, et qui ont été découverts depuis longtemps, mais il serait beaucoup plus agréable de savoir sur quelles bases toutes les données de carburants sont créées et comme si elles fonctionnaient. Je ne vous conseille pas de vous dire cet article, si cela ne vous intéresse pas, mais il pourrait quand même vous être utile. Cet article s’adresse davantage aux chimistes qui s’engagent dans le développement de carburants pour fusées, ainsi qu’à ceux qui s’engagent dans la conception de moteurs de fusées. Alors voyez par vous-même.

Nous savons donc que le rendement énergétique est déterminé par sa densité - un indicateur qui permet de déterminer quelle impulsion totale peut être obtenue en brûlant 1 kg de carburant:

quelle impulsion totale peut être obtenue en brûlant 1 kg de carburant

L'impulsion totale est la création de la poussée au moment du travail moteur.

L'impulsion totale est la création de la poussée au moment du travail moteur.

En termes simples, le rendement énergétique est déterminé par le fait que l'on peut obtenir le type de traction en brûlant une certaine quantité de carburant dans un morceau de pores.

Nous savons que plus la pression dans la chambre de combustion est élevée, plus les gaz s'échappent de la buse de manière intense, poussant la fusée dans la direction opposée, plus la poussée du moteur augmente. Nous savons également qu’à mesure que la température augmente, la pression des gaz semble augmenter, et donc la poussée du moteur augmente également. On peut donc dire que le carburant avec les valeurs limites de la poussée spécifique devrait avoir la température de combustion la plus élevée possible et que l’autorité moléculaire de ses produits de combustion devrait être aussi basse que possible.

Par exemple, le carburant sur lequel la "navette" de propulseurs pour combustibles solides est utilisée consiste en perchlorate d’ammonium ( NH 4 ClO 4 ), en polyuréthane, en poudre d’aluminium et en oxyde de fer ( Fe 2 O 3 ):

69,9% (NH 4 ClO 4 ) + 12,04 (polyuréthane) + 1,96 (durcisseur) + 16% (Al) + 0,07 ( Fe 2 O 3 )

- il intervient ici comme s'il s'agissait d'un catalyseur de combustion, presque sans affecter la poussée spécifique du carburant. La poudre d'aluminium est introduite afin d'améliorer les caractéristiques énergétiques du carburant, mais tout le monde ne comprend pas que les caractéristiques données augmentent.

Ainsi, le perchlorate d'ammonium se décompose à une température donnée, mais de différentes manières. À haute température, il se décompose en libérant la quasi-totalité de l'oxygène nécessaire à l'oxydation du carburant (ici du polyuréthane). En même temps, des produits tels que CO, CO 2 , N 2 , H 2 O, HCl et de petites impuretés d'autres produits se forment préférentiellement. La densité de CO (monoxyde de carbone) est inférieure à CO 2 (dioxyde de carbone), cependant, cela signifie que, dans des conditions normales, il occupe un volume plus important que le CO 2 , mais avec l'augmentation de la température, le volume des gaz augmente. On peut donc dire qu’il est recommandé d’utiliser une telle combinaison de composants de carburant, dans laquelle le CO serait le principal produit de la combustion. Mais cette combinaison ne convient pas à tous les carburants et, après avoir lu l'intégralité de l'article, vous comprendrez pourquoi.

Parlons maintenant de l’aluminium - pourquoi en avons-nous besoin? Bien sûr, le cours de chimie montre que l’aluminium a une valeur calorifique élevée. C’est également l’une des raisons pour lesquelles il est introduit dans les carburants pour fusées, mais ce n’est en aucun cas la première. Sachez également que l’ Al 2 O 3 et l’ H 2 remplis d’interactions avec l’eau à haute température manifesteront de l’ aluminium et de l’ H2 - à savoir l’hydrogène, c’est lui qui améliore considérablement les caractéristiques énergétiques du carburant, ne pensez pas non plus qu’il joue le rôle de carburant . Le fait est que dans des conditions normales, il occupe un volume énorme avec un poids minimum, c’est-à-dire sa densité est très petite. Bien sûr, si nous considérons également que l’aluminium augmente de manière significative la température de combustion du carburant, la pression dans la chambre est alors énorme, ce carburant est donc considéré comme l’un des meilleurs carburants solides pouvant être utilisé à une échelle industrielle à l’heure actuelle. Bien sûr, ce carburant est loin d’être idéal, mais c’est une autre question.

Considérons maintenant le carburant que j'ai développé il n'y a pas si longtemps. Plus précisément, nous l'avons finalisé, car utiliser le sorbitol comme liant, je ne l’ai pas trouvé. Vous avez sûrement entendu parler du puissant caramel - comme si nous l'appelions, vous avez également observé que le soufre était inclus dans sa composition. J'y ai brièvement décrit la raison, mais examinons-le de plus près. Reproduisons donc l'équation de gravure:

6C6H14O6 + 26KNO3 + 13S = 13K2S + 36CO2 + 13N2 + 42H20 (théoriquement) .

Dans cette équation, nous n’avons pas tenu compte de l’interaction du CO 2 avec H 2 O ou de H 2 O avec K 2 S , j’ai préféré examiner d’abord le mécanisme de réaction purement théorique, car la réaction à un stade très précoce va dans cette direction et ensuite seulement les produits interagissent les uns avec les autres en donnant les produits finaux de la combustion. Je tiens également à souligner que la composition des produits sera légèrement différente à des pressions différentes. Comme je l'ai déjà dit, le soufre déplace ici l'atome d'oxygène, grâce à quoi le rendement énergétique de la réaction augmente, et un volume beaucoup plus grand de produits gazeux se forme également. Et contrairement au KOH , qui se forme lors de la combustion du caramel conventionnel, le K 2 S n’interagit pratiquement pas avec le CO 2 , conservant son volume dans la chambre du RD . Tout cela contribue à une augmentation significative de la poussée spécifique du carburant, qui est également très puissant par rapport au caramel conventionnel. Le caramel puissant est un carburant très calorique, c.-à-d. Il a une température de combustion élevée, qui agit plus efficacement, mais il y a des inconvénients: il peut brûler à travers le bloc moteur s'il est composé d'un matériau ne résistant pas suffisamment à la chaleur. Il est également très difficile à fabriquer et ne convient pas vraiment aux petits moteurs, mais idéalement aux gros moteurs. De sa part, il est bon de jouer aux contrôleurs de carburant à partir de 100g . Son faible potentiel de ductilité est l’absence de succès dans son utilisation. Il est impossible de le surchauffer, car le soufre va fondre et le carburant devenir non homogène, c'est aussi son principal problème.

Voyons maintenant le caramel habituel, dont Richard Nacka a proposé l'équation de combustion.

C 6 H 14 O 6 + 3,345 KNO 3 -> 1,870 CO 2 + 2,490 CO + 4,828 H 2 O + 2,45 H 2 + 1,672 N 2 + 1,644 K 2 CO 3 + 0,057 KOH (pratiquement)

Je n'aime pas une chose dans sa réaction. Selon son équation, KOH est formé, mais cette association ne peut en aucun cas se former, car elle va simultanément interagir avec le CO 2 et se transformer en K 2 CO 3 , en particulier à une température aussi élevée. Je veux sembler noter que la réaction CO 2 + H 2 O + CO + C n’est pas encore connue dans le cours de cuisson; la leçon à tirer est que, à différentes températures et pressions, elle peut s’écouler dans différentes directions: avec la formation de tels produits comme si c 3 OH, CH 2 O, CH 3 COOH , H2 en est un autre: pour que cette réaction se déroule dans le sens d'une montée du H2 élémentaire, il faut une température très élevée que le carburant ne peut pas donner. Il ne serait donc pas du tout exact de dire que seul H2 est formé et que les caractéristiques thermiques d'un caramel ordinaire sont inférieures à celles de puissant. Certaines raisons expliquent ce faible rendement énergétique:

Premièrement: dans les produits, il se forme du KOH , qui absorbe une quantité impressionnante de CO 2 , ce qui entraîne une diminution du nombre de produits gazeux rejetés.

Deuxièmement: l'oxydation du sorbitol KNO 3 ne donne qu'une paire d'atomes d'oxygène, ce qui réduit considérablement l'efficacité énergétique.

Troisièmement: en raison de la température de combustion relativement basse du carburant, la réaction se produit au cours de la réduction du volume de produits gazeux.

Eh bien, ce carburant a des avantages impressionnants: il est facile à fabriquer, cependant, en raison de sa teneur élevée en sorbitol, il conserve une plasticité élevée pendant un temps assez long, avec un échauffement suffisant, il peut être facilement versé dans le corps sans trop de difficulté. Pour ceux qui ne s’occupent que de la conception de fusées, mais pas de moteurs, ce carburant est également idéal pour vérifier les caractéristiques de vol de leurs missiles.

En général, je tiens à dire que, bien que le caramel soit également considéré comme faisant partie du métier de modèle de fusée, le carburant, il n’est cependant pas assez efficace si vous vous engagez définitivement dans un développement moteur sérieux. J'ai aussi beaucoup travaillé avec du caramel ordinaire auparavant, mais finalement, je suis passé au puissant. Le caramel ordinaire convient parfaitement aux fabricants de fusées débutants, mais nous recommandons aux professionnels d’essayer les plus puissants.

Après tous ces arguments, vous demanderez probablement: "Pourquoi ne pas introduire le même aluminium dans le caramel habituel, ou pourquoi ne pas augmenter l'essence de sorbitol pour que le CO soit le principal produit de la combustion?" En chimie, on peut dire que l’énergie d’activation est l’énergie minimale à dépenser pour la réaction. De plus, si le rendement énergétique de la réaction est supérieur à son énergie d'activation, alors une telle réaction se déroule via un mécanisme en chaîne. Et plus le rendement énergétique de la réaction est élevé, plus son énergie d'activation est faible, plus la réaction est rapide et complète. Dans ce cas, comme si je le disais, le caramel habituel est un carburant très calorique et le rendement énergétique de la réaction ne permet pas d’activer pleinement le complexe {Al + H 2 O + CO + CO 2 } , et donc l’introduction de poudre d’aluminium ne fera que réduire l’efficacité du combustible. Eh bien, bien, une fois dans l’habitude, c’est impossible, pourquoi ne pas en essayer un puissant? Je répondrai: en raison du soufre qui formera le produit tiers Al 2 S 3 avec de l’aluminium, ce qui réduit également le rendement énergétique. Mais j’expérimente encore ce carburant avec l’ajout d’aluminium, car vous ne savez toujours pas ce qui se passe dans la pratique, publiez ensuite les résultats des tests.

Je souhaite également faire une remarque sur les catalyseurs de combustion. Dans le cas du caramel puissant, leur utilisation est inappropriée. Dans le cas du caramel conventionnel, il est possible d'utiliser des sels de cuivre qui ne forment pas des hydrates cristallins, mais également dans le cas de la conception de moteurs particulièrement impressionnants. Pour les chlorates et les perchlorates, divers composés de métaux de transition sont utilisés, par exemple Fe 2 O 3 , ce qui augmente considérablement le taux de combustion du carburant, sa teneur dans le mélange initial n'étant que de 0,5% . Mais pour la préparation de carburant pour moteurs sur des modèles de fusées, il n’est pas utilisé du tout, car Le perchlorate en tant que tel a un taux de combustion solide et des caractéristiques d’énergie très élevées.

En général, je tiens à dire une chose: les carburants pour fusées sont un exercice très délicat qu’il ne semble être, mais il y a aussi beaucoup de modifications. Et le choix des carburants pour fusées est limité non seulement par leur composition et leurs propriétés, mais également par un certain nombre d'autres caractéristiques.

Les principales exigences spécifiques imposées aux solides RMS:

La distribution uniforme des composants plus, par conséquent, la constance des propriétés physicochimiques et énergétiques dans l'unité, la stabilité est également un schéma de combustion dans la chambre RD , mais elle ressemble à un complexe de propriétés physicomécaniques garantissant les performances du moteur dans des conditions de surcharge, de température variable, de vibrations, il est également très fier de prendre en compte lors de la conception de moteurs de fusée amateur.

En outre, le carburant doit respecter les normes environnementales de base, mais il appartient à l'industrie et, si possible, à des produits peu toxiques, respectueux de l'environnement et des êtres vivants, ce que l'on ne peut pas dire du carburant à base de perchlorate.

Personnellement, nous pensons qu’à l’avenir apparaîtront sans aucun doute de nouveaux types de carburants dont les caractéristiques dépasseront considérablement celles qui sont disponibles à l’heure actuelle.

Mais pour nous ce n’est pas particulièrement important, car nous travaillons avec de très petites quantités par rapport à l'industrie. A l'avenir, tout est possible. Les moteurs utilisent déjà des sources d'énergie alternatives, par exemple, un moteur à plasma a déjà été mis au point dans la pratique, il est actuellement testé et les composants élémentaires d'un moteur à ions sont en cours de test. La poussée spécifique de tels moteurs est également des milliers de dizaines de milliers de fois supérieure à la poussée spécifique des moteurs à énergie chimique. Mais même ces moteurs, qui nous paraissent fantastiques, perdront également leur signification dans un avenir lointain, céderont également le pas à d'autres, qui n'existent plus que théoriquement.

De la part du créateur: j’énonce dans cet article l’essence même de la chose simple que vous devez savoir sur les carburants pour fusées, principalement les combustibles solides, et je pense aussi que ces informations vous seront utiles pour votre entreprise. Des livres entiers ont été écrits en général sur les carburants pour fusées, mais la plupart de ces livres sont destinés uniquement aux professionnels qui développent des LRE (moteurs à propergol liquide), et sans une bonne connaissance des mathématiques et des lois de la balistique interne et externe, il sera très difficile de les étudier. Je tiens à dire que j’ai écrit cet article personnellement, à partir de mes propres connaissances théoriques, je pense aussi que tout est clair pour vous.

Version imprimée
Auteur: Oleg
Le matériel PS est protégé.
Date de publication 02.02.2005