ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА

В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло.

Однако, топливом можно считать лишь те горючие вещества, у которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения. отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в природе, просты в добыче и транспортировке.

Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем лучше.

Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты. Сравнить количества теплоты, выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно,
используя физическую величину - удельную теплоту сгорания.
Удельная тплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании
1 кг данного топлива.
Единица измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ:
[ q ] = 1 Дж/кг
Расчетная формула для количества теплоты, выделившейся при полном сгорании топлива:

где Q - количество выделившейся теплоты (Дж),
q - удельная теплота сгорания (Дж/кг),
m - масса сгоревшего топлива (кг).

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ?

Растения ежегодно производят 300 000 000 000 т кислорода. А при старте одной лишь ракеты сжигается в качестве топлива от 100 т до 1000 т жидкого кислорода.

Можно ли получить холод при сжигании угля?

Получение из угля не жара, а холода каждодневно осуществляется на заводах так называемого
«сухого льда». Уголь сжигается в котлах, а образующейся дым очищается и содержащийся в нем углекислый газ улавливается щелочным раствором. Затем щелочной раствор нагревают и из него выделяется углекислый газ. Углекислый газ при последующем охлаждении и сжатии переводится в жидкое состояние под давлением 70 атм. Эта жидкая углекислота в толстостенных баллонах доставляется на заводы шипучих напитков. Она так холодна, чтобы может заморозить грунт, как делалось при сооружении метро.
Для многих целей в промышленности и в медицине требуется углекислота в твердом виде – «сухой лед», который и получают при дальнейшем охлаждении углекислоты.

Самое горячее пламя получается при сгорании субнитрида углерода (C4N2), дающего при 1 атм. температуру 5261 K.

ПЛАМЯ СВЕЧИ

В пламени любого источника света имеется очень накаленная полоса, а в других частях теплота почти незаметна. Зажгите свечу и наблюдайте за фитилем. В пламени свечи легко различить отдельные полосы. Внизу вы увидите коричневую точку l, где свет почти не воспринимаем для глаза, а несколько выше синеватую часть m.

В синюю часть пламени кислород не проникает, и газы здесь не горят, оставаясь невоспламеняемыми. Это резервуар, питающий часть n, в которой газы подвергаются полному сгоранию. Вид этой полосы ярко красный. Часть n окружает полоса r, плохо видимая , но самая горячая из всех. Здесь происходит процесс полного сжигания углерода.

Примеры

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

Рассмотрим более сложный пример. Алюминиевую кастрюлю массой m1, заполненную водой массой m2, нагрели с помощью примуса от температуры t1 до температуры t2 (00С < t1 < t2

Решение.

Найдём количество теплоты, полученное алюминием:

Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное водой:

Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное кастрюлей с водой:

найдём количество теплоты, отданное сгоревшим бензином:

Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =

(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;

найдём массу сгоревшего бензина:

m = Q4 / q = (c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100 / q

Ответ: масса сгоревшего бензина равна

(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100 / q.

Реши самостоятельно:

Начальный уровень

1. Удельная теплота сгорания бензина 44 МДж/кг. Выберите правильное утверждение.

А. Приполном сгорании1м3 бензина выделится 44 МДж энергии.

Б. При полном сгорании 44 кг бензина выделится 1 МДж энергии.

В. При полном сгорании1кг бензина выделится 44 МДж энергии.

2. В топке было сожжено одинаковое количество каменного угля и сухих дров. Выберите правильное утверждение.

А. При сгорании каменного угля выделилось большее количество теплоты.

Б. При сгорании сухих дров выделилось большее количество теплоты.

В. При сгорании угля и дров выделилось одинаковое количество теплоты.

3. При сжигании каменного угля выделилось 54 МДж теплоты. Выберите правильное утверждение.

А. Было сожжено 1 кг угля.

Б. Было сожжено 2 кг угля.

В. Было сожжено 4 кг угля.

4. При сжигании 1 кг топлива выделилось 26 МДж теплоты. Выберите правильное утверждение.

А. Сжигали керосин.

Б. Сжигали спирт.

В. Сжигали древесный уголь.

5. Сожгли 2 кг каменного угля. Выберите правильное утверждение.

А. Чтобы выделилось такое же количество теплоты, необходимо сжечь 1,5 кг спирта.

Б. Чтобы выделилось такое же количество теплоты, необходимо сжечь 2 кг бензина.

В. Чтобы выделилось такое же количество теплоты, необходимо сжечь 4,5 кг сухих дров

6. В печи было сожжено 2 кг сухих дров. Выберите правильное утверждение.

А. Выделилось 6 МДж теплоты.

Б. Выделилось 12 МДж теплоты.

В. Выделилось 24 МДж теплоты.

Средний уровень

1. Сколько сухих дров нужно сжечь, чтобы получить 60 МДж теплоты?

2. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 100 г спирта?

3. При полном сгорании 0,5 кг топлива выделяется 22 МДж теплоты. Какова удельная теплота сгорания топлива? Что это за топливо?

4. Какая масса каменного угля была сожжена в печи, если при этом выделилось 60 МДж теплоты?

5. Сколько теплоты выделится при полном сгорании сухих сосновых дров объемом 3 м 3 ?

6. Сколько энергии выделится при полном сгорании керосина объемом 5 л?

Достаточный уровень

1. а) Почему порох невыгодно использовать как топливо, а бензином нельзя заменить порох в артиллерийских орудиях?

б) Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 2 кг от 14 °С до 50 °С, если вся теплота, выделенная спиртом, пойдет на нагревание воды?

2. а) Почему мы сильно дуем на пламя спички, свечи и т. п., когда хотим его погасить?

б) На сколько градусов Цельсия нагреются 3 кг воды, если вся теплота, выделившаяся при полном сгорании 10 г спирта, пошла на ее нагревание?

3. а) Почему рачительный хозяин предпочитает покупать березовые дрова, а не сосновые? Цена дров одинаковая.

б) Сколько дров необходимо сжечь для того, чтобы нагреть 50 л воды в железном котле массой 10 кг от 15 °С до 65 °С? Потерями тепла пренебречь.

4. а) Почему разбросанные угли костра гаснут быстро, а сложенные в кучу долго сохраняются в раскаленном виде?

б) Сколько воды, взятой при температуре 14 °С, можно нагреть до 50 °С, сжигая спирт массой 30 г и считая, что вся выделяемая при горении спирта энергия идет на нагревание воды?

5. а) Удельная теплота сгорания каменного угля примерно в два раза больше, чем удельная теплота сгорания торфа. Что это значит?

б) Сколько воды можно нагреть от 10 °С до 60 °С, если на ее нагревание пошла половина энергии, полученной в результате сгорания 40 кг каменного угля?

6. а) Почему теплота сгорания сырых дров меньше, чем у сухих той же породы?

б) На сколько изменится температура воды объемом 100 л, если считать, что вся теплота, выделяемая при сжигании древесного угля массой 0,5 кг, пойдет на нагревание воды?

Высокий уровень

1. Сколько воды можно нагреть кипятильником от 10 °С до 100 °С, сжигая в нем 0,6 кг березовых дров, если для нагревания воды пошло 25%теплоты, выделившейся при сжигании дров?

2. Сколько дров понадобится сжечь, чтобы истопить кирпичную печь? КПД печи равен 25 %, масса печи 1,5 т, в процессе протапливания температурапечи изменяется от 10 °С до 70 °С.

3. На спиртовке нагрели 175 г воды от 15 до 75 °С. Начальная масса спиртовки со спиртом была равна 163 г, а по окончании нагревания -157 г. Найдите КПД нагревательной установки.

4. В медном сосуде массой 0,5 кг нагреваются 2 л воды, взятой при температуре 10 °С. До какой температуры можно нагреть воду за счет сжигания 50 г спирта (КПД считать равным 50%)?

5. На примусе с КПД 40% необходимо вскипятить 4 л воды, начальная температура которой 20 °С, в алюминиевой кастрюле массой 2 кг. Определите расход керосина на нагревание воды и кастрюли.

6. Каково отношение масс спирта и бензина в смеси, если удельная теплота сгорания этой смеси 40 МДж/кг?

774. Удельная теплота сгорания каменного угля равна 27 МДж/кг. Что это означает?
Это означает, что при полном сгорании каменного угля массой 1 кг выделяется 27 МДж.

775. Сколько тепла при сгорании дают 10 кг древесного угля?

776. Сколько выделится тепла при полном сгорании 10 кг сухих березовых дров?

777. Сколько тепла дают 20 кг торфа при полном сгорании?

778. Какое количество теплоты выделится при сгорании керосина массой 300 г?

779. Заряд пороха в патроне пулемета имеет массу 3,2 г. Теплота сгорания пороха 3,8 МДж/кг. Сколько выделяется тепла при каждом выстреле?

780. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 4 л керосина?

781. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти массой 3,5 т?

782. Какую массу угля надо сжечь, чтобы выделилось 40800 кДж тепла?

783. При полном сгорании нефти выделилось 132 кДж тепла. Какая масса нефти сгорела?

784. Какая масса древесного угля может заменить 60 т нефти?

785. Какая масса древесного угля при сгорании дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании четырех литров бензина?

786. Во сколько раз меньше тепла дают при полном сгорании сухие березовые дрова, чем бензин такой же массы?

787. Начальная температура двух литров воды 20 °С. До какой температуры можно было бы нагреть эту воду при сжигании 10 г спирта? (Считать, что теплота сгорания спирта целиком пошла на нагревание воды.)

788. Воду массой 0,3 кг нагрели на спиртовке от 20 °С до 80 °С и сожгли при этом 7 г спирта. Определите КПД спиртовки.

789. При нагревании 4 л воды на 55 °С в примусе сгорело 50 г керосина. Каков КПД примуса?

790. Сталь массой 2 кг нагревается на 1000 °С кузнечным горном. Каков КПД кузнечного горна, если для этого расходуется 0,6 кг кокса?

791. Сколько нужно сжечь керосина в керосинке, чтобы довести от 15 °С до кипения 3 кг воды, если КПД керосинки 30%?

792. КПД вагранки (шахтной печи) 60%. Сколько надо древесного угля, чтобы нагреть 10000 кг чугуна от 20 °С до 1100 °С?

793. Для сгорания в топке одного килограмма древесного угля требуется 30 кг воздуха. Воздух поступает в топку при температуре 20 °С и уходит в дымоход при температуре 400 °С. Какая часть энергии топлива уносится воздухом в трубу? (Теплоемкость воздуха принять равной 1000 Дж/кг °С при постоянном давлении.)

Известно, что источником энергии, которая используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Попытаемся выяснить, за счёт чего выделяется при этом энергия.

Вспомним строение молекулы воды (рис. 16, а). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т. е. совершить работу, а значит, затратить энергию. И наоборот, если атомы соединяются в молекулу, энергия выделяется.

Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б). При этом образуется молекула оксида углерода - углекислого газа - и выделяется энергия.

Рис. 16. Строение молекул:
a - воды; б - соединение атома углерода и двух атомов кислорода в молекулу углекислого газа

При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. Для этого надо опытным путём определить, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одной и той же массы топлива разных видов.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.

Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 10 7 Дж / кг.

Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 10 7 Дж энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле

Вопросы

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
2. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
3. Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

Упражнение 9

1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 3 ?
3. При полном сгорании сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Какая масса дров сгорела?

Задание

Используя таблицу 2, постройте столбчатую диаграмму для удельной теплоты сгорания дров, спирта, нефти, водорода, выбрав масштаб следующим образом: ширина прямоугольника - 1 клетка, высота 2 мм соответствует 10 Дж.

На десятый этаж подняли литр керосина и сожгли его.Куда делась потенциальная энергия керосина?решение задачи

Ответы:

Ответ: Перешла в потенциальную энергию продуктов сгорания.

Похожие вопросы

• 3. Вентилятор вращается с постоянной скоростью и за две минуты совершает 2400 оборотов. Определите частоту вращения вентилятора, период обращения и линейную скорость точки, расположенной на краю лопасти вентилятора на расстоянии 10 см от оси вращения.
• решите уровнение: 5х2-34х-7=0
• определите объемную долю выхода аммиака если известно что из 5 литров азота получено 0,8 литров аммиака
• С каким ускорением двигался автомобиль, если на пути 1 км его скорость возросла от 36 до 72 км/ч?
• задача из двух посёлков расстояние между которыми 27 км одновременно навстречу друг другу вышли два пешехода. Скорость первого 4 км\ч а второго 5 км\ч. Какое расстояние будет между ними через 2 часа?? Через какое время встретятся? Решите задачу двумя способами. Помогите пожалуйста очень срочно и нужно... И последняя задача. Два велосепедиста стартовали из одной точки противоположныж направлениях. Их скорости 200 м \ мин, и 250 м\мин. Через сколько минут расстояние между ними будет равно 900 м, 2 км 700 м. Пожалуйста помогите...
• Решите уравнение x^4-2x^2-400x=9999. В ответе укажите сумму корней
• 1 Осуществите цепочку химических превращени Fe→ FeCl3→ Fe(OH)3→ Fe2(SO4)3→ Fe(OH)3→ Fe2O3 2 Как используя любые реактивы и литий получить оксид, основание, соль?

Недавно случившаяся авария ракеты« Днепр», космического носителя, переделанного из военной ракеты Р-36М УТТХ, снова вызвала интерес к ракетному топливу.

V-2 («Фау-2») легла в основу всей послевоенной ракетной техники, и американской, и советской

Запуск 900 ракет «Фау-2» требовал 12 тыс. т жидкого кислорода, 4 тыс. тонн этилового спирта, 2 тыс. т метанола, 500 т перекиси водорода и 1,5 тыс. т взрывчатки

Вместо спирта, который наряду с жидким кислородом использовал Вернер фон Браун, Королев для своих первых ракет выбрал керосин

Ни бензин, не керосин, ни дизельное топливо не воспламеняются сами при взаимодействии с кислотой, а для военных ракет самовоспламенение — одно из ключевых требований к топливу

Ракета S-4B, третья ступень еще одного детища Вернера фон Брауна — самой мощной американской ракеты-носителя Saturn V. В активе последней — 13 успешных запусков (с 1967 по 1973 год). Именно с ее помощью человек ступил на Луну

Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) — очень совершенные машины, и их характеристики на 90%, а то и больше, определяются примененным топливом. Эффективность же топлива зависит от состава и запасенной энергии. Идеальное топливо должно состоять из легких элементов — из самого начала таблицы Менделеева, дающих максимальную энергию при окислении. Но это не все требования к топливу — еще оно должно быть совместимым с конструкционными материалами, стабильным при хранении и по возможности недорогим. Но ракета — это не только двигатель, но еще и баки ограниченного объема: чтобы взять на борт больше топлива, его плотность должна быть повыше. Кроме топлива ракета везет с собой и окислитель.

Идеальный окислитель с точки зрения химии — жидкий кислород. Но одной химией ракета не исчерпывается, это конструкция, в которой все взаимоувязано. Вернер фон Браун выбрал для Фау-2 спирт и жидкий кислород, и дальность ракеты получилась 270 км. Но если бы ее двигатель работал на азотной кислоте и дизельном топливе, то дальность увеличилась бы на четверть, потому что такого топлива в те же баки помещается на две тонны больше!

Ракетное топливо — кладовая химической энергии в компактном виде. Топливо тем лучше, чем больше энергии запасает. Поэтому вещества, хорошие для ракетного топлива, всегда чрезвычайно химически активны, непрерывно пытаются высвободить скрытую энергию, разъедая, сжигая и разрушая все вокруг. Все ракетные окислители либо взрывоопасны, либо ядовиты, либо нестойки. Жидкий кислород — единственное исключение, и то только потому, что природа приучилась к 20% свободного кислорода в атмосфере. Но даже жидкий кислород требует уважения.

Хранить вечно

Баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, созданные под руководством Сергея Королева, не только показали перспективность этого вида оружия, но и дали понять, что жидкий кислород не очень подходит для боевых ракет. Несмотря на то, что Р-5М была первой ракетой с ядерной боеголовкой, а в 1955 году даже было произведено реальное испытание с подрывом ядерного заряда, военных не устраивало, что ракету нужно заправлять непосредственно перед стартом. Требовалась замена жидкому кислороду, замена полноценная, такая, чтоб и в сибирские морозы не замерзала, и в каракумскую жару не выкипала: то есть с диапазоном температур от -55 градусов до +55 градусов Цельсия. Правда, с кипением в баках проблем не ожидалось, так как давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения больше. Но кислород ни при каком давлении не будет жидким при температуре выше критической, то есть -113 градусов Цельсия. А таких морозов даже в Антарктиде не бывает.

Азотная кислота HNO3 — другой очевидный окислитель для ЖРД, и ее использование в ракетной технике шло параллельно с жидким кислородом. Соли азотной кислоты — нитраты, особенно калийная селитра — уже много веков использовались как окислитель самого первого ракетного топлива — черного пороха.

Молекула азотной кислоты содержит как балласт лишь один атом азота да «половинку» молекулы воды, а два с половиной атома кислорода могут быть использованы для окисления горючего. Но азотная кислота — очень «хитрое» вещество, настолько странное, что непрерывно реагирует само с собой — атомы водорода от одной молекулы кислоты отщепляются и прицепляются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Из-за этого в азотной кислоте обязательно образуются разного рода примеси.

Кроме того, азотная кислота очевидно не удовлетворяет требованиям совместимости с конструкционными материалами — под нее специально приходится подбирать металл для баков, труб, камер ЖРД. Тем не менее «азотка» стала популярным окислителем еще в 1930-е годы — она дешева, производится в больших количествах, достаточно стабильна, чтобы ею можно было охлаждать камеру двигателя, пожаро- и взрывобезопасна. Плотность ее заметно больше, чем у жидкого кислорода, но главное ее достоинство по сравнению с жидким кислородом состоит в том, что она не выкипает, не требует теплоизоляции, может неограниченно долго храниться в подходящей таре. Только где ее взять, подходящую тару?

Все 1930-е и 1940-е годы прошли под знаменем поиска подходящих емкостей для азотной кислоты. Но даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушались концентрированной азоткой, в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов, который, конечно же, нельзя подавать в ракетный двигатель — он мгновенно забьется и взорвется.

Для уменьшения коррозионной активности азотной кислоты в нее стали добавлять различные вещества, пытаясь, зачастую методом проб и ошибок, найти комбинацию, которая бы, с одной стороны, не испортила окислитель, с другой — сделала его более удобным в использовании. Но удачная добавка была найдена только в конце 1950-х американскими химиками — оказалось, что всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз! Советские химики задержались с этим открытием лет на десять-пятнадцать.

Секретные присадки

Тем не менее первый в СССР ракетный самолет-перехватчик БИ-1 использовал именно азотную кислоту и керосин. Баки и трубы пришлось делать из монель-металла — сплава никеля и меди. Этот сплав получался «естественным» образом из некоторых полиметаллических руд, поэтому был популярным конструкционным материалом второй трети ХХ века. О его внешнем виде можно судить по металлическим рублям — они сделаны из почти «ракетного» сплава. Во время войны не хватало, однако, не только меди с никелем, но и нержавеющей стали. Приходилось использовать обычную, покрытую для защиты хромом. Но тонкий слой быстро проедался кислотой, поэтому после каждого запуска двигателя остатки топливной смеси приходилось скребками удалять из камеры сгорания — техники поневоле вдыхали ядовитые испарения. Один из пионеров ракетной техники Борис Черток однажды едва не погиб при взрыве двигателя для БИ-1 на стенде, этот эпизод он описал в своей замечательной книге «Ракеты и люди».

Помимо добавок, снижающих агрессивность азотной кислоты, в нее пытались добавлять разные вещества, чтобы повысить ее эффективность как окислителя. Наиболее результативным веществом была двуокись азота, еще одно «странное» соединение. Обычно — газ бурого цвета, с резким неприятным запахом, но стоит его слегка охладить, он сжижается и две молекулы двуокиси склеиваются в одну. Поэтому соединение часто называют четырехокисью азота, или азотным тетраоксидом — АТ. При атмосферном давлении АТ кипит при комнатной температуре (+21 градус), а при -11 градусах замерзает. Чем ближе к точке замерзания, тем бледнее цвет соединения, становящегося под конец бледно-желтым, а в твердом состоянии — почти бесцветным. Это оттого, что газ состоит в основном из молекул NO2, жидкость — из смеси NO2 и димеров N2O4, а в твердом веществе остаются одни только бесцветные димеры.

Добавка АТ в азотную кислоту увеличивает эффективность окислителя сразу по многим причинам — АТ содержит меньше «балласта», связывает попадающую в окислитель воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты. Самое интересное, что с растворением АТ в АК плотность раствора сначала растет и достигает максимума при 14% растворенного АТ. Именно этот вариант состава и выбрали американские ракетчики для своих боевых ракет. Наши же стремились повысить характеристики двигателей любой ценой, поэтому в окислителях АК-20 и АК-27 было по 20% и 27% соответственно растворенного азотного тетраоксида. Первый окислитель использовался в зенитных ракетах, а второй — в баллистических. КБ Янгеля создало ракету средней дальности Р-12, которая использовала АК-27 и специальный сорт керосина ТМ-185.

Зажигалки

Параллельно поискам лучшего окислителя шли поиски оптимального горючего. Военных больше всего устраивал бы продукт перегонки нефти, но и другие вещества, если они производились в достаточных количествах и стоили недорого, тоже можно было использовать. Проблема была одна — ни бензин, ни керосин, ни дизельное топливо не воспламеняются сами при контакте с азотной кислотой, а для военных ракет самовоспламенение — одно из ключевых требований к топливу. Хотя наша первая межконтинентальная ракета Р-7 использовала пару «керосин — жидкий кислород», стало ясно, что пиротехническое зажигание неудобно для боевых ракет. При подготовке ракеты к пуску требовалось вручную вставить в каждое сопло (а их у Р-7 ни много ни мало 32−20 основных камер и 12 рулевых) деревянную крестовину с зажигательной шашкой, подключить все электропровода, которыми шашки воспламеняются, и проделать еще много разных подготовительных операций.

В Р-12 эти недостатки были учтены, и зажигание обеспечивалось пусковым горючим, которое самовоспламенялось при контакте с азотной кислотой. Его состав был найден еще немецкими ракетчиками во время Второй мировой войны, и называлось оно «Тонка-250». Наши ракетчики переименовали его в соответствии с ГОСТами в ТГ-02. Теперь ракета могла стоять заправленной несколько недель, и это был большой успех, так как ее можно было бы запустить в течение пары часов вместо трех суток для Р-7. Но три компонента — много для боевой ракеты, а для использования в качестве основного горючего ТГ-02 годился только для зенитных ракет; для баллистических ракет дальнего действия нужно было что-то более эффективное.

Гиперголики

Химики назвали пары веществ, самовоспламеняющихся при контакте, «гиперголическими», то есть, в приблизительном переводе с греческого, имеющими чрезмерное сродство друг с другом. Они знали, что лучше всего воспламеняются с азотной кислотой вещества, имеющие в составе, кроме углерода и водорода, азот. Но «лучше» — это насколько?

Задержка самовоспламенения — ключевое свойство для пар химических веществ, которые мы хотим сжечь в ракетном двигателе. Представьте — включили подачу, горючее и окислитель накапливаются в камере, а воспламенения нет! Зато, когда оно наконец происходит, мощный взрыв разносит камеру ЖРД на кусочки. Для определения задержки самовоспламенения разные исследователи строили самые разные по сложности стенды — от двух пипеток, синхронно выдавливающих по капельке окислителя и горючего, до маленьких ракетных двигателей без сопла — форсуночная головка и короткая цилиндрическая труба. Все равно взрывы раздавались очень часто, действуя на нервы, выбивая стекла и повреждая датчики.

Очень быстро был обнаружен «идеальный гиперголь» — гидразин, старый знакомый химиков. Это вещество, имеющее формулу N2H4, по физическим свойствам очень похоже на воду — плотность на несколько процентов больше, температура замерзания +1,5 градуса, кипения +113 градусов, вязкость и все прочее — как у воды, но вот запах…

Гидразин был получен впервые в чистом виде в конце XIX века, а в составе ракетного топлива впервые употреблен немцами в 1933 году, но в качестве сравнительно небольшой добавки для самовоспламенения. Как самостоятельное горючее гидразин был дорог, производство его недостаточно, но, главное, военных не устраивала его температура замерзания — выше, чем у воды! Нужен был «гидразиновый антифриз», и его поиски шли непрерывно. Уж очень гидразин хорош! Вернер фон Браун для запуска первого спутника США «Эксплорер» заменил спирт в ракете «Редстоун» на «гидин» (Hydyne), смесь 60% гидразина и 40% спирта. Такое горючее улучшило энергетику первой ступени, но для достижения необходимых характеристик пришлось удлинить баки.

Гидразин, как и аммиак NH3, состоит только из азота и водорода. Но если при образовании аммиака из элементов энергия выделяется, то при образовании гидразина энергия поглощается — именно поэтому прямой синтез гидразина невозможен. Зато поглощенная при образовании энергия выделится потом при сгорании гидразина в ЖРД и пойдет на повышение удельного импульса — главного показателя совершенства двигателя. Пара кислород-керосин позволяет получить удельную тягу для двигателей первой ступени в районе 300 секунд. Замена жидкого кислорода на азотную кислоту ухудшает эту величину до 220 секунд. Такое ухудшение требует увеличения стартовой массы почти в два раза. Если же заменить керосин гидразином, большую часть этого ухудшения можно «отыграть». Но военным было нужно, чтобы горючее не замерзало, и они требовали альтернативу.

Пути разошлись

И тут пути наших и американских химиков разошлись! В СССР химики придумали способ получения несимметричного диметилгидразина, а американцы предпочли более простой процесс, в котором получался монометилгидразин. Обе эти жидкости, несмотря на их чрезвычайную ядовитость, устраивали и конструкторов, и военных. К аккуратности при обращении с опасными веществами ракетчикам было не привыкать, но все же новые вещества были настолько токсичными, что обычный противогаз не справлялся с очисткой воздуха от их паров! Нужно было либо использовать изолирующий противогаз, либо специальный патрон, который окислял токсичные пары до безопасного состояния. Зато метилированные производные гидразина были менее взрывоопасными, меньше впитывали водяные пары, были термически более стойкими. Но вот температура кипения и плотность по сравнению с гидразином понизились.

Поэтому поиски продолжались. Американцы одно время очень широко использовали «Аэрозин-50» — смесь гидразина и НДМГ, что было следствием изобретения технологического процесса, в котором они получались одновременно. Позднее этот способ был вытеснен более совершенными, но «Аэрозин-50» успел распространиться, и на нем летали и баллистические ракеты «Титан-2», и корабль «Аполлон». Ракета «Сатурн-5» разгоняла его к Луне на жидком водороде и кислороде, но собственный двигатель «Аполлона», которому нужно было включаться несколько раз в течение недельного полета, должен был использовать самовоспламеняющееся долгохранимое топливо.

Тепличные условия

Но дальше с баллистическими ракетами произошла удивительная метаморфоза — они спрятались в шахты, для защиты от первого удара противника. При этом уже не требовалось морозостойкости, так как в шахте воздух подогревался зимой и охлаждался летом! Топливо можно было подбирать, не учитывая его морозоустойчивости. И сразу же двигателисты отказались от азотной кислоты, перейдя на чистый азотный тетраоксид. Тот самый, что кипит при комнатной температуре! Ведь давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения нас беспокоит гораздо меньше. Зато теперь коррозия баков и трубопроводов уменьшилась настолько, что стало возможным хранить ракету заправленной на протяжении всего срока боевого дежурства! Первой ракетой, которая могла стоять заправленной 10 лет подряд, стала УР-100 конструкции КБ Челомея. Почти одновременно с ней появилась гораздо более тяжелая Р-36 фирмы Янгеля. Нынешний ее потомок, последняя модификация Р-36М2, кроме баков, мало имеет общего с первоначальной ракетой.

По энергетическим характеристикам пары «кислород — керосин» и «четырехокись азота — НДМГ» очень близки. Но первая пара хороша для космических ракет-носителей, а вторая — для МБР шахтного базирования. Для работы с такими ядовитыми веществами была разработана специальная технология — ампулизация ракеты после заправки. Смысл ее понятен из названия: все магистрали перекрываются необратимо, чтобы избежать даже малейших утечек. Впервые она была применена на ракетах для подводных лодок, которые тоже использовали такое топливо.

Твердое топливо

Американские же ракетчики для боевых ракет предпочли твердое топливо. Оно имело несколько худшие характеристики, зато ракета требовала гораздо меньше подготовительных операций при запуске. Наши тоже пытались использовать твердотопливные ракеты, но последнюю ступень все равно приходилось делать жидкостной, для того чтобы скомпенсировать разброс работы твердотопливных двигателей, которые невозможно регулировать так, как жидкостные. А позднее, когда появились ракеты с несколькими боеголовками, на последнюю жидкостную ступень легла задача «разведения» их по целям. Так что пара «АТ-НДМГ» без работы не осталась. Не остается и сейчас: на этом топливе работают двигатели космического корабля «Союз», Международной космической станции и многих других аппаратов.