La maggior parte dei dispositivi che generano energia attraverso la combustione utilizzano il metodo di combustione del carburante nell'aria. Tuttavia, ci sono due circostanze in cui può essere desiderabile o necessario utilizzare un agente ossidante diverso dall'aria: 1) quando è necessario generare energia in un luogo in cui la fornitura d'aria è limitata, ad esempio sott'acqua o in alto sopra il livello del mare superficie della terra; 2) quando è desiderabile ottenere in breve tempo una quantità molto grande di energia dalle sue fonti compatte, ad esempio negli esplosivi per propellenti di cannoni, negli impianti di decollo degli aerei (acceleratori) o nei razzi. In alcuni di questi casi è in linea di principio possibile utilizzare aria preventivamente compressa e immagazzinata in idonei recipienti a pressione; tuttavia, questo metodo è spesso poco pratico, poiché il peso delle bombole (o di altri tipi di stoccaggio) è di circa 4 kg per 1 kg di aria; il peso del contenitore per un prodotto liquido o solido è di 1 kg/kg o anche meno.

Quando viene utilizzato un dispositivo di piccole dimensioni e l'accento è posto sulla semplicità del design, come nelle cartucce per armi da fuoco o in un piccolo razzo, viene utilizzato un propellente solido contenente carburante e ossidante strettamente miscelati. I sistemi a combustibile liquido sono più complessi, ma presentano due distinti vantaggi rispetto ai sistemi a combustibile solido:

1. Il liquido può essere immagazzinato in un recipiente di materiale leggero e forzato in una camera di combustione, le cui dimensioni devono soddisfare solo il requisito di raggiungere la velocità di combustione desiderata (la tecnica di iniettare materiale solido nella camera di combustione ad alta pressione è, in generale insoddisfacente; quindi tutta la carica di combustibile solido deve essere collocata fin dall'inizio nella camera di combustione, che quindi deve essere capiente e durevole).
2. La velocità di generazione dell'energia può essere variata e regolata modificando opportunamente la velocità di alimentazione del fluido. Per questo motivo, combinazioni di ossidanti liquidi e combustibili vengono utilizzate per vari motori a razzo relativamente grandi, per motori di sottomarini, siluri, ecc.

Un agente ossidante liquido ideale dovrebbe avere molte proprietà desiderabili, ma le più importanti da un punto di vista pratico sono le seguenti tre: 1) rilascio di una quantità significativa di energia durante la reazione, 2) resistenza comparativa all'impatto e Temperature elevate e 3) basso costo di produzione. Tuttavia, è auspicabile che l'agente ossidante non sia corrosivo o tossico, che reagisca rapidamente e abbia proprietà fisiche adeguate, come basso punto di congelamento, alto punto di ebollizione, alta densità, bassa viscosità, ecc. Quando utilizzato come componente di un di particolare importanza sono il combustibile per missili, la temperatura della fiamma raggiunta e il peso molecolare medio dei prodotti della combustione. Ovviamente nessuno composto chimico non può soddisfare tutti i requisiti per un agente ossidante ideale. E ci sono pochissime sostanze che possiedono anche approssimativamente la combinazione di proprietà desiderata, e solo tre di esse hanno trovato qualche utilizzo: ossigeno liquido, acido nitrico concentrato e perossido di idrogeno concentrato.

Il perossido di idrogeno ha lo svantaggio che anche alla concentrazione del 100% contiene solo il 47% in peso di ossigeno, che può essere utilizzato per la combustione del carburante, mentre nell'acido nitrico il contenuto di ossigeno attivo è del 63,5% e per l'ossigeno puro è possibile anche al 100%. utilizzo. Questo svantaggio è compensato dal significativo rilascio di calore durante la decomposizione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno. Infatti la potenza di questi tre ossidanti o la forza di spinta sviluppata per unità di peso in ogni specifico impianto e per ogni tipo di combustibile può differire al massimo del 10-20%, e quindi la scelta dell'uno o dell'altro ossidante per un sistema a due componenti è solitamente determinato da altre considerazioni Studio sperimentale dell'applicazione Il perossido di idrogeno come fonte di energia è stato introdotto per la prima volta in Germania nel 1934 nella ricerca di nuove forme di energia (indipendenti dall'aria) per la propulsione dei sottomarini Questo potenziale l'applicazione militare ha stimolato lo sviluppo industriale del metodo da parte dell'Electrochemische Werke di Monaco (E.W.M.) per concentrare il perossido di idrogeno per produrre soluzioni acquose ad alta resistenza che potrebbero essere trasportate e immagazzinate con un basso tasso di decomposizione accettabile. Inizialmente, il 60% veniva prodotto per esigenze militari. soluzione acquosa, ma successivamente questa concentrazione fu aumentata e finalmente si cominciò ad ottenere perossido all'85%. La maggiore disponibilità di perossido di idrogeno altamente concentrato alla fine degli anni '30 portò al suo utilizzo in Germania durante la seconda guerra mondiale come fonte di energia per altre esigenze militari. Pertanto, il perossido di idrogeno fu utilizzato per la prima volta nel 1937 in Germania come combustibile ausiliario per motori di aerei e razzi.

Entro la fine della seconda guerra mondiale soluzioni altamente concentrate contenenti fino al 90% di perossido di idrogeno furono prodotte su scala industriale anche dalla Buffalo Electro-Chemical Co negli USA e dalla V. Laporte, Ltd." In Gran Bretagna. L'incarnazione dell'idea del processo di generazione di potenza di trazione dal perossido di idrogeno in un periodo precedente è presentata nello schema di Lysholm, che propose una tecnica per generare energia mediante decomposizione termica del perossido di idrogeno seguita dalla combustione del carburante nel risultante ossigeno. Tuttavia, nella pratica, questo schema apparentemente non ha trovato applicazione.

Il perossido di idrogeno concentrato può essere utilizzato sia come combustibile monocomponente (in questo caso si decompone sotto pressione e forma una miscela gassosa di ossigeno e vapore surriscaldato) sia come ossidante per la combustione del combustibile. Meccanicamente il sistema monocomponente è più semplice, ma produce meno energia per unità di peso di carburante. In un sistema a due componenti è possibile prima decomporre il perossido di idrogeno e poi bruciare il carburante nei prodotti di decomposizione caldi, oppure è possibile far reagire entrambi i liquidi direttamente senza prima decomporre il perossido di idrogeno. Il secondo metodo è più semplice da progettare meccanicamente, ma può essere difficile garantire l'accensione e una combustione uniforme e completa. In entrambi i casi, l'energia o la spinta viene creata dall'espansione dei gas caldi. Diversi tipi I motori a razzo basati sull'azione del perossido di idrogeno e utilizzati in Germania durante la seconda guerra mondiale sono descritti in modo molto dettagliato da Walter, che fu direttamente coinvolto nello sviluppo di molte applicazioni militari del perossido di idrogeno in Germania. Il materiale da lui pubblicato è illustrato anche da numerosi disegni e fotografie.

Indubbiamente il motore è la parte più importante del razzo e una delle più complesse. Il compito del motore è miscelare i componenti del carburante, assicurarne la combustione e ad alta velocità emettono i gas risultanti dal processo di combustione in una determinata direzione, creando spinta del getto. In questo articolo considereremo solo i motori chimici attualmente utilizzati nella tecnologia missilistica. Ne esistono di diverse tipologie: a combustibile solido, liquido, ibrido e liquido monocomponente.

Qualsiasi motore a razzo è costituito da due parti principali: la camera di combustione e l'ugello. Penso che tutto sia chiaro con la camera di combustione: è una sorta di volume chiuso in cui avviene la combustione del carburante. E l'ugello è progettato per accelerare i gas risultanti dalla combustione del carburante a velocità supersonica in una determinata direzione. L'ugello è costituito da un confusore, un canale critico e un diffusore.

Un confusore è un imbuto che raccoglie i gas dalla camera di combustione e li convoglia nel canale critico.

La critica è la parte più stretta dell'ugello. In esso, il gas viene accelerato alla velocità del suono a causa dell'alta pressione del confusore.

Il diffusore è la parte espandibile dell'ugello dopo le critiche. Si verifica un calo della pressione e della temperatura del gas, a causa della quale il gas riceve un'ulteriore accelerazione fino alla velocità supersonica.

Ora esaminiamo tutte le principali tipologie di motori.

Cominciamo con qualcosa di semplice. Il più semplice nel suo design è il motore a razzo a propellente solido. In realtà, si tratta di un barile caricato con una miscela solida di combustibile-ossidante e dotato di un ugello.

La camera di combustione in un tale motore è un canale nella carica del carburante e la combustione avviene su tutta la superficie di questo canale. Per semplificare il rifornimento del motore, la carica viene spesso effettuata con pellet di combustibile. Quindi la combustione avviene anche sulla superficie delle estremità delle pedine.

Per ottenere diverse dipendenze della spinta dal tempo, vengono utilizzate diverse sezioni trasversali del canale:

Motore a razzo a propellente solido- il tipo più antico di motore a razzo. È stato inventato nell'antica Cina, ma ancora oggi viene utilizzato sia nei missili militari che nella tecnologia spaziale. Inoltre, grazie alla sua semplicità, questo motore viene utilizzato attivamente nella missilistica amatoriale.

La prima navicella spaziale americana, la Mercury, era equipaggiata con sei motori a razzo a propellente solido:

Tre piccoli allontanano la nave dal veicolo di lancio dopo la separazione da esso, e tre grandi la rallentano per uscire dall'orbita.

Il più potente motore a razzo a propellente solido (e generalmente il più potente motore a razzo della storia) è l'acceleratore laterale del sistema Space Shuttle, che ha sviluppato una spinta massima di 1400 tonnellate. Sono stati questi due acceleratori a produrre una colonna di fuoco così spettacolare al momento del lancio delle navette. Ciò è chiaramente visibile, ad esempio, nella registrazione video del lancio dello shuttle Atlantis l'11 maggio 2009 (missione STS-125):

Gli stessi booster verranno utilizzati nel nuovo razzo SLS, che lancerà in orbita la nuova navicella spaziale americana Orion. Ora puoi vedere le registrazioni dei test a terra dell'acceleratore:

I motori a razzo a propellente solido sono installati anche nei sistemi di salvataggio di emergenza progettati per l'evacuazione navicella spaziale da un razzo in caso di incidente. Ecco, ad esempio, i test SAS della nave Mercury il 9 maggio 1960:

Oltre al SAS, i veicoli spaziali Soyuz sono dotati di motori per atterraggio morbido. Questi sono anche motori a razzo a propellente solido, che funzionano per una frazione di secondo, producendo potente impulso, portando la velocità di discesa della nave quasi a zero appena prima di toccare la superficie terrestre. L'accensione di questi motori può essere vista nella registrazione dell'atterraggio della navicella spaziale Soyuz TMA-11M il 14 maggio 2014:

Lo svantaggio principale dei motori a razzo a propellente solido è l'incapacità di controllare la spinta e l'incapacità ricomincia motore dopo che è stato spento. E fermare il motore nel caso di un motore a razzo a propellente solido non è effettivamente un arresto: il motore o smette di funzionare per la fine del carburante oppure, se è necessario fermarlo prima, viene interrotta la spinta: viene acceso con uno squib speciale coperchio superiore motore e gas iniziano a fuoriuscire da entrambe le estremità, azzerando la spinta.

Successivamente vedremo motore ibrido . La sua particolarità è che i componenti del carburante utilizzati si trovano in diversi stati di aggregazione. Molto spesso vengono utilizzati un combustibile solido e un ossidante liquido o gassoso.

Ecco come si presenta un test al banco di un motore del genere:

Questo è il tipo di motore utilizzato sulla prima navetta spaziale privata, SpaceShipOne.
A differenza di un motore a razzo a propellente solido, il propulsore principale può essere riavviato e la sua spinta può essere regolata. Tuttavia, non era privo di inconvenienti. A causa della grande camera di combustione, i motori a gas non sono redditizi da installare su razzi di grandi dimensioni. Inoltre, il motore a gas è soggetto a un "avviamento difficile", quando nella camera di combustione si è accumulato molto ossidante e, una volta acceso, il motore si accende in breve tempo. grande impulso trazione.

Bene, ora diamo un’occhiata al tipo di motore a razzo più utilizzato in astronautica. Questo LRE- motori a razzo liquidi.

Nella camera di combustione di un motore a razzo a propellente liquido, due liquidi vengono miscelati e bruciati: carburante e ossidante. I razzi spaziali utilizzano tre coppie di combustibile-ossidazione: ossigeno liquido + cherosene (razzi Soyuz), idrogeno liquido + ossigeno liquido (secondo e terzo stadio del razzo Saturn 5, secondo stadio di Changzheng 2, Space Shuttle) e dimetilidrazina asimmetrica + tetrossido di azoto ( Razzi protonici e il primo stadio di Changzheng-2). È in fase di sperimentazione anche un nuovo tipo di carburante, il metano liquido.

I vantaggi dei motori a propellente liquido sono la leggerezza, la capacità di regolare la spinta su un ampio intervallo (acceleratore), la possibilità di avviamenti multipli e un impulso specifico più elevato rispetto ad altri tipi di motori.

Lo svantaggio principale di tali motori è l'incredibile complessità del design. Sembra tutto semplice nel mio diagramma, ma in realtà, quando si progetta un motore a razzo a propellente liquido, bisogna affrontare una serie di problemi: la necessità di una buona miscelazione dei componenti del carburante, la difficoltà di mantenere un'alta pressione nella combustione camera di combustione, combustione irregolare del carburante, forte riscaldamento delle pareti della camera di combustione e dell'ugello, difficoltà di accensione, effetto corrosivo dell'ossidante sulle pareti della camera di combustione.

Per risolvere tutti questi problemi, molti complessi e non molto soluzioni ingegneristiche, motivo per cui il motore a razzo spesso sembra l'incubo di un idraulico ubriaco, ad esempio questo RD-108:

Le camere di combustione e gli ugelli sono ben visibili, ma attenzione a quanti tubi, gruppi e fili diversi ci sono! E tutto ciò è necessario per stabilità e funzionamento affidabile motore. È presente un'unità turbopompa per fornire carburante e ossidante alle camere di combustione, un generatore di gas per l'azionamento dell'unità turbopompa, camicie di raffreddamento per camere di combustione e ugelli, tubi anulari sugli ugelli per creare una cortina di raffreddamento del carburante, un tubo per lo scarico tubi del gas e di scarico del generatore di rifiuti.

Vedremo più nel dettaglio il funzionamento dei motori a propellente liquido in uno dei seguenti articoli, ma per ora passiamo all'ultima tipologia di motore: monocomponente.

Il funzionamento di un tale motore si basa sulla decomposizione catalitica del perossido di idrogeno. Sicuramente molti di voi ricordano l’esperienza scolastica:

La scuola utilizza il perossido al 3% in farmacia, ma ecco la reazione utilizzando il perossido al 37%:

Si vede un getto di vapore (misto ovviamente con ossigeno) che fuoriesce con forza dal collo della beuta. Cosa no motore a reazione?

I motori a perossido di idrogeno vengono utilizzati nei sistemi di orientamento dei veicoli spaziali, quando non è necessaria una grande spinta e la semplicità del design del motore e la sua massa ridotta sono molto importanti. Naturalmente la concentrazione di acqua ossigenata utilizzata è ben lontana dal 3% o addirittura dal 30%. Il perossido concentrato al cento per cento produce, durante la reazione, una miscela di ossigeno e vapore acqueo, riscaldata a millecinquecento gradi, che crea alta pressione nella camera di combustione e ad alta velocità perdita di gas dall'ugello.

La semplicità del design di un motore monocomponente non poteva fare a meno di attirare l'attenzione degli scienziati missilistici dilettanti. Ecco un esempio di motore amatoriale monocomponente.

IN 1818 Signor chimico francese LJ Tenar scoperto "acqua ossidata". Successivamente questa sostanza prese il nome perossido di idrogeno. La sua densità è 1464,9 kg/metro cubo. Quindi, la sostanza risultante ha la formula H2O2, endotermico, elimina l'ossigeno in forma attiva con un ampio rilascio di calore: H2O2 > H2O + 0,5 O2 + 23,45 kcal.

I chimici già conoscevano la proprietà perossido di idrogeno come agente ossidante: soluzioni H2O2(in seguito denominato " perossido") accendevano sostanze infiammabili, tanto che non sempre era possibile estinguerle. Utilizzare quindi perossido nella vita reale come sostanza energetica e che non richiede un ossidante aggiuntivo, venne in mente all'ingegnere Helmut Walter dalla città Chiglia. Soprattutto sui sottomarini, dove ogni grammo di ossigeno deve essere preso in considerazione, soprattutto da allora 1933, e l'élite fascista prese tutte le misure per prepararsi alla guerra. Qui lavoriamo con perossido sono stati classificati. H2O2- il prodotto è instabile. Walter ha trovato prodotti (catalizzatori) che hanno contribuito a una decomposizione ancora più rapida perossido. Reazione di eliminazione dell'ossigeno ( H2O2 = H2O + O2) è andato immediatamente e fino alla fine. Tuttavia, era necessario “sbarazzarsi” dell’ossigeno. Perché? Il fatto è che perossido la connessione più ricca con O2 Quasi 95% dal peso totale della sostanza. E poiché inizialmente viene rilasciato ossigeno atomico, era semplicemente scomodo non usarlo come agente ossidante attivo.

Poi nella turbina, dove è stato applicato perossido, iniziarono a fornire combustibile organico e acqua, poiché veniva generato abbastanza calore. Ciò ha contribuito ad un aumento della potenza del motore.

IN 1937 anno sono stati completati con successo i test al banco delle turbine a vapore e a gas e nel 1942 fu costruito il primo sottomarino F-80, che ha sviluppato velocità sott'acqua 28,1 nodi (52,04 chilometri orari). Il comando tedesco ha deciso di costruire 24 sottomarini, che avrebbero dovuto averne due centrali elettriche capacità ciascuno 5000 CV. Hanno consumato 80% soluzione perossido. Gli impianti di produzione venivano preparati in Germania 90.000 tonnellate di perossido nell'anno. Tuttavia, il “Reich millenario” giunse ad una fine ingloriosa...

Va notato che in Germania perossido cominciò ad essere utilizzato in varie modifiche di aerei, nonché sui missili V-1 E V-2. Sappiamo che tutto questo lavoro non potrà cambiare il corso degli eventi...

Nell'Unione Sovietica, lavora con perossido furono effettuati anche nell'interesse della flotta sottomarina. IN 1947 membro a pieno titolo dell'Accademia delle scienze dell'URSS BS Stechkin, che consigliava gli specialisti dei motori a reazione a propellente liquido, allora chiamati motori a razzo a propellente liquido, presso l'Istituto dell'Accademia delle scienze dell'artiglieria, affidò l'incarico al futuro accademico (e allora ancora ingegnere) Varshavskij I. L. accendere il motore perossido, proposto dall'accademico E. A. Chudakov. A questo scopo, serial motori diesel sottomarini di "classe". Luccio E praticamente è stato lui stesso a dare la "benedizione" per l'opera Stalin. Ciò ha permesso di accelerare lo sviluppo e ottenere spazio aggiuntivo a bordo della barca, dove potevano essere posizionati siluri e altre armi.

Lavora con perossido sono stati condotti da accademici Stechkin, Chudakov e Varsavia in molto poco tempo. Prima 1953 anno, secondo le informazioni disponibili, era attrezzato 11 sottomarini A differenza del lavoro con perossido condotti dagli Stati Uniti e dall'Inghilterra, i nostri sottomarini non hanno lasciato alcuna traccia dietro di loro, mentre i sottomarini con turbine a gas (USA e INGHILTERRA) avevano un pennacchio di bolle che smascherava. Ma il punto è nell’attuazione interna perossido e utilizzarlo per i sottomarini Krusciov: il paese è passato a lavorare con i sottomarini nucleari. E un potente arretrato H2-le armi venivano tagliate in rottami metallici.

Tuttavia, cosa abbiamo in termini di “concludere”? perossido? Si scopre che deve essere preparato da qualche parte, e poi i serbatoi delle auto devono essere riempiti. Questo non è sempre conveniente. Sarebbe meglio, quindi, riceverlo direttamente a bordo della vettura, e ancor meglio prima dell'iniezione nel cilindro o prima dell'alimentazione alla turbina. In questo caso sarebbe garantito completa sicurezza tutto funziona. Ma quali liquidi iniziali sono necessari per ottenerlo? Se prendi dell'acido e perossido, diciamo, bario ( BaO2), allora questo procedimento diventa molto scomodo per l'utilizzo direttamente a bordo della stessa Mercedes! Pertanto, prestiamo attenzione all'acqua semplice: H2O! Si scopre che è per ricevere perossido può essere utilizzato con calma ed efficacia! Tutto quello che devi fare è riempire i serbatoi con normale acqua di pozzo e puoi metterti in viaggio.

L'unico avvertimento: con questo processo si forma nuovamente ossigeno atomico (ricordate la reazione che si è verificata Walter), ma anche qui, come si è scoperto, puoi agire saggiamente con lui. Per il suo uso corretto hai bisogno di un'emulsione acqua-carburante, nella quale è sufficiente averne almeno 5-10% un po' di combustibile idrocarburico. Lo stesso olio combustibile potrebbe essere adatto, ma anche con il suo utilizzo le frazioni idrocarburiche garantiranno la flemmatizzazione dell'ossigeno, cioè reagiranno con esso e daranno un ulteriore impulso, eliminando la possibilità di un'esplosione incontrollata.

Secondo tutti i calcoli qui entra in gioco la cavitazione, la formazione di bolle attive che possono distruggere la struttura della molecola d'acqua e rilasciare il gruppo ossidrile LUI e costringerlo a combinarsi con lo stesso gruppo per ottenere la molecola desiderata perossido H2O2.

Questo approccio è molto vantaggioso sotto ogni punto di vista, perché elimina il processo produttivo perossido al di fuori dell'oggetto d'uso (cioè rende possibile crearlo direttamente nel motore combustione interna). Ciò è molto vantaggioso perché elimina le fasi di rifornimento e stoccaggio separati H2O2. Si scopre che solo al momento dell'iniezione si forma il composto di cui abbiamo bisogno e, aggirando il processo di stoccaggio, perossido entra in funzione. E nei serbatoi della stessa macchina potrebbe esserci un'emulsione acqua-carburante con una piccola percentuale di idrocarburi! Sarebbe bellezza! E non sarebbe affatto spaventoso se un litro di carburante avesse un prezzo pari 5 Dollari americani. In futuro, potrai passare ai combustibili solidi come il carbone e sintetizzarne facilmente la benzina. Ci sarà ancora abbastanza carbone per diverse centinaia di anni! La sola Yakutia immagazzina miliardi di tonnellate di questo minerale a basse profondità. Si tratta di una vasta regione, delimitata dal basso dal filo del BAM, il cui confine settentrionale va ben al di sopra dei fiumi Aldan e Maya...

Tuttavia perossido Secondo lo schema descritto, può essere preparato da qualsiasi idrocarburo. Penso che la parola principale in questa materia rimanga con i nostri scienziati e ingegneri.

Il perossido di idrogeno H 2 O 2 è un liquido trasparente, incolore, notevolmente più viscoso dell'acqua, con un odore caratteristico, anche se debole. Il perossido di idrogeno anidro è difficile da ottenere e immagazzinare ed è troppo costoso per essere utilizzato come carburante per missili. In generale, il costo elevato è uno dei principali svantaggi del perossido di idrogeno. Ma, rispetto ad altri agenti ossidanti, è più conveniente e meno pericoloso da usare.
La tendenza del perossido alla decomposizione spontanea è stata tradizionalmente esagerata. Sebbene abbiamo osservato una diminuzione della concentrazione dal 90% al 65% dopo due anni di conservazione in bottiglie di polietilene da un litro a temperatura ambiente, in volumi più grandi e in contenitori più adatti (ad esempio, in un barile da 200 litri di alluminio abbastanza puro) la decomposizione tasso è del 90%, il perossido sarebbe inferiore allo 0,1% all'anno.
La densità del perossido di idrogeno anidro supera i 1450 kg/m 3, che è significativamente maggiore di quella dell'ossigeno liquido e leggermente inferiore a quella degli ossidanti dell'acido nitrico. Purtroppo le impurità dell'acqua la riducono rapidamente, tanto che una soluzione al 90% ha una densità di 1380 kg/m 3 a temperatura ambiente, ma questo è comunque un ottimo indicatore.
Il perossido nei motori a razzo liquido può essere utilizzato sia come combustibile unitario che come agente ossidante, ad esempio abbinato a cherosene o alcool. Né il cherosene né l'alcol si accendono spontaneamente con il perossido e per garantire l'accensione è necessario aggiungere al carburante un catalizzatore di decomposizione del perossido, quindi il calore generato è sufficiente per l'accensione. Per l'alcol, un catalizzatore adatto è l'acetato di manganese(II). Esistono anche additivi appropriati per il cherosene, ma la loro composizione è tenuta segreta.
L'uso del perossido come combustibile unitario è limitato dalle sue caratteristiche energetiche relativamente basse. Pertanto, l'impulso specifico raggiunto nel vuoto per il perossido all'85% è solo di circa 1300...1500 m/s (per diversi gradi di espansione), e per il 98% è di circa 1600...1800 m/s. Tuttavia, il perossido fu utilizzato prima dagli americani per orientare il modulo di discesa della navicella spaziale Mercury, poi, per lo stesso scopo, dai progettisti sovietici sulla navicella spaziale Soyuz. Inoltre, il perossido di idrogeno viene utilizzato come carburante ausiliario per azionare il TNA - per la prima volta sul razzo V-2, e poi sui suoi "discendenti", fino all'R-7. Tutte le modifiche dei "sette", comprese quelle più moderne, utilizzano ancora il perossido per azionare il TNA.
Come ossidante, il perossido di idrogeno è efficace con vari combustibili. Sebbene dia un impulso specifico inferiore rispetto all'ossigeno liquido, quando si utilizza perossido ad alta concentrazione, i valori IR superano quelli degli ossidanti all'acido nitrico con gli stessi combustibili. Di tutti i veicoli di lancio nello spazio, solo uno utilizzava il perossido (accoppiato con cherosene): l'inglese Black Arrow. I parametri dei suoi motori erano modesti - l'IR dei motori del primo stadio superava leggermente i 2200 m/s al suolo e i 2500 m/s nel vuoto - poiché in questo razzo veniva utilizzata solo una concentrazione dell'85% di perossido. Ciò è stato fatto perché per garantire l'autoaccensione, il perossido si è decomposto su un catalizzatore d'argento. Un perossido più concentrato scioglierebbe l'argento.
Nonostante il fatto che l'interesse per il perossido aumenti di volta in volta, le sue prospettive rimangono vaghe. Quindi, sebbene il motore a razzo sovietico a propellente liquido RD-502 (coppia carburante - perossido più pentaborano) abbia dimostrato un impulso specifico di 3680 m/s, è rimasto sperimentale.
Nei nostri progetti puntiamo sul perossido anche perché i motori che lo utilizzano risultano essere più “freddi” rispetto a motori simili con lo stesso CV, ma che utilizzano altri combustibili. Ad esempio, i prodotti della combustione del carburante “caramello” hanno una temperatura più alta di quasi 800° con lo stesso CV raggiunto. Ciò è dovuto alla grande quantità di acqua nei prodotti di reazione del perossido e, di conseguenza, al basso peso molecolare medio dei prodotti di reazione.

Utilizzo: nei motori a combustione interna, in particolare in un metodo per fornire una migliore combustione dei carburanti che coinvolgono composti idrocarburici. L'essenza dell'invenzione: il metodo prevede l'introduzione nella composizione di 10-80 vol. % di perossido o composto di perosso. La composizione viene somministrata separatamente dal carburante. 1 stipendio file, 2 tabelle.

L'invenzione riguarda un metodo e una composizione liquida per avviare e ottimizzare la combustione di composti di idrocarburi e ridurre la concentrazione di composti nocivi nei gas di scarico e nelle emissioni, in cui una composizione liquida contenente un perossido o un composto perossidico viene fornita all'aria di combustione o all'aria miscela di carburante. Prerequisiti per creare un'invenzione. IN l'anno scorso L’attenzione è sempre maggiore verso l’inquinamento ambiente e un elevato consumo di energia, dovuto soprattutto alla drammatica perdita di foreste. Tuttavia, i gas di scarico sono sempre stati un problema nei centri abitati. Nonostante il continuo miglioramento dei motori e della tecnologia di riscaldamento con minori emissioni o gas di scarico, il numero sempre crescente di automobili e impianti di combustione ha portato ad un aumento complessivo del numero gas di scarico. La causa principale dell'inquinamento dei gas di scarico e portata elevata l'energia è una combustione incompleta. La progettazione del processo di combustione, l'efficienza del sistema di accensione, la qualità del carburante e della miscela aria-carburante determinano l'efficienza della combustione e il contenuto di composti incombusti e pericolosi nei gas. Per ridurre la concentrazione di questi composti, utilizzare vari modi, ad esempio, il ricircolo e i noti catalizzatori che portano alla postcombustione dei gas di scarico al di fuori della zona di combustione principale. La combustione è la reazione di un composto con l'ossigeno (O2) sotto l'influenza del calore. Composti come carbonio (C), idrogeno (H2), idrocarburi e zolfo (S) generano calore sufficiente per supportare la loro combustione, mentre l'azoto (N2) richiede calore per ossidarsi. Ad alta temperatura 1200-2500 o C e quantità sufficiente ossigeno, si ottiene una combustione completa, dove ciascun composto lega la quantità massima di ossigeno. I prodotti finali sono CO 2 (anidride carbonica), H 2 O (acqua), SO 2 e SO 3 (ossidi di zolfo) e talvolta NO e NO 2 (ossidi di azoto, NO x). Gli ossidi di zolfo e di azoto sono responsabili dell'acidificazione dell'ambiente, sono pericolosi da inalare e soprattutto questi ultimi (NOx) assorbono l'energia della combustione; È anche possibile produrre fiamme fredde, come la fiamma blu tremolante di una candela, dove la temperatura è solo di circa 400 o C. L'ossidazione qui non è completa e i prodotti finali possono essere H 2 O 2 (perossido di idrogeno), CO (monossido di carbonio) ed eventualmente C (fuliggine). Gli ultimi due composti elencati, come l'NO, sono dannosi e possono fornire energia dopo la combustione completa. La benzina è una miscela di idrocarburi del petrolio greggio con punti di ebollizione compresi tra 40 e 200 o C. Contiene circa 2000 idrocarburi diversi con 4-9 atomi di carbonio. Processo dettagliato la combustione è molto complessa anche per i composti semplici. Le molecole di carburante si decompongono in frammenti più piccoli, la maggior parte dei quali sono i cosiddetti radicali liberi, cioè molecole instabili che reagiscono rapidamente, ad esempio, con l'ossigeno. I radicali più importanti sono l'ossigeno atomico O, l'idrogeno atomico H e il radicale ossidrile OH. Quest'ultimo è particolarmente importante per la decomposizione e l'ossidazione del carburante, sia attraverso l'aggiunta diretta che attraverso l'eliminazione dell'idrogeno, con conseguente formazione di acqua. All'inizio dell'innesco della combustione, l'acqua reagisce H 2 O+M ___ H +CH +M dove M è un'altra molecola, come l'azoto, o la parete o la superficie dell'elettrodo a scintilla con cui si scontra la molecola d'acqua. Poiché l'acqua è una molecola molto stabile, richiede temperature molto elevate per decomporsi. La migliore alternativaè l'aggiunta di acqua ossigenata, che si decompone in modo simile H 2 O 2 +M ___ 2OH +M Questa reazione avviene molto più facilmente e ad una temperatura più bassa, soprattutto in superficie, dove l'accensione della miscela aria-carburante avviene più frequentemente facilmente e in modo più controllato. Un ulteriore effetto positivo della reazione superficiale è che il perossido di idrogeno reagisce facilmente con la fuliggine e il catrame sulle pareti e sulla candela per formare anidride carbonica (CO 2), che porta alla pulizia della superficie dell'elettrodo e migliore accensione. L'acqua e il perossido di idrogeno riducono notevolmente il contenuto di CO nei gas di scarico seguendo il seguente schema: 1) CO+O 2 ___ CO 2 +O: iniziazione 2) O: +H 2 O ___ 2OH ramificazione 3) OH +CO ___ CO 2 + Crescita H 4) H +O 2 ___ OH +O ; ramificazione Dalla reazione 2) è chiaro che l'acqua svolge il ruolo di catalizzatore e poi si forma nuovamente. Poiché il perossido di idrogeno produce molte migliaia di volte più radicali OH dell’acqua, il passaggio 3) viene notevolmente accelerato, con conseguente rimozione della maggior parte della CO2 prodotta. Di conseguenza, viene rilasciata energia aggiuntiva per aiutare a mantenere la combustione. NO e NO2 sono composti altamente tossici e sono circa 4 volte più tossici della CO. Nell'avvelenamento acuto, il tessuto polmonare è danneggiato. L'NO è un prodotto di combustione indesiderato. In presenza di acqua l'NO viene ossidato a HNO 3 e in questa forma provoca circa la metà dell'acidificazione, l'altra metà è dovuta ad H 2 SO 4 . Inoltre, gli NOx possono decomporre l'ozono nell'alta atmosfera. La maggior parte dell'NO si forma a seguito della reazione dell'ossigeno con l'azoto atmosferico alte temperature e, quindi, non dipende dalla composizione del carburante. La quantità di POx formata dipende dalla durata del mantenimento delle condizioni di combustione. Se la riduzione della temperatura viene effettuata molto lentamente, ciò porta all'equilibrio a temperature moderatamente elevate e ad una concentrazione di NO relativamente bassa. I seguenti metodi possono essere utilizzati per ottenere bassi livelli di NO. 1. Combustione a due stadi di una miscela di carburante arricchita. 2. Bassa temperatura di combustione dovuta a: a) grande eccesso d'aria,
b) forte raffreddamento,
c) ricircolo dei gas di combustione. Come spesso si osserva nell'analisi chimica delle fiamme, la concentrazione di NO nella fiamma è maggiore che dopo. Questo è il processo di decomposizione dell'O. Possibile reazione:
CH 3 + NO ___ ... H+H 2 O
Pertanto, la formazione di N2 è supportata da condizioni che producono elevate concentrazioni di CH3 nelle fiamme calde ricche di combustibile. Come dimostra la pratica, i combustibili contenenti azoto, ad esempio sotto forma di composti eterociclici come la piridina, producono maggiori quantità di NO. N contenuto in vari combustibili(approssimativo), %: Petrolio greggio 0,65 Asfalto 2,30 Benzina pesante 1,40 Benzina leggera 0,07 Carbone 1-2
SE-B-429.201 descrive una composizione liquida contenente 1-10% in volume di perossido di idrogeno, il resto essendo acqua, un alcol alifatico, olio lubrificante e facoltativamente un inibitore di corrosione, in cui detta composizione liquida viene fornita all'aria di combustione o miscela aria-carburante. Con un contenuto di perossido di idrogeno così basso, la quantità risultante di radicali OH non è sufficiente per reagire sia con il carburante che con la CO. Ad eccezione delle composizioni che portano alla combustione spontanea del carburante, l'effetto positivo ottenuto qui è piccolo rispetto alla sola aggiunta di acqua. DE-A-2.362.082 descrive l'aggiunta di un agente ossidante, come l'acqua ossigenata, durante la combustione, ma l'acqua ossigenata viene decomposta in acqua e ossigeno da un catalizzatore prima di essere introdotta nell'aria di combustione. Lo scopo e le caratteristiche più importanti della presente invenzione. Lo scopo della presente invenzione è migliorare la combustione e ridurre l'emissione di gas di scarico nocivi durante i processi di combustione che coinvolgono composti di idrocarburi, grazie al miglioramento dell'innesco della combustione e al mantenimento di condizioni ottimali e combustione completa in condizioni così buone da ridurre notevolmente il contenuto di gas di scarico nocivi. Ciò si ottiene introducendo aria di combustione o miscela aria-carburante viene fornita una composizione liquida contenente perossido o perosso composto e acqua, dove la composizione liquida contiene 10-80% in volume di perossido o perosso composto. In condizioni alcaline, il perossido di idrogeno si decompone in radicali idrossilici e ioni perossido secondo il seguente schema:
H2O2 +HO2 ___ HO +O2 +H2O
I radicali idrossilici risultanti possono reagire tra loro, con ioni perossido o con perossido di idrogeno. Queste reazioni di seguito producono perossido di idrogeno, gas di ossigeno e radicali idroperossido:
HO+HO___H2O2
HO +O ___ 3 O 2 +OH -
HO +H 2 O 2 ___ HO 2 +H 2 O È noto che il pKa dei radicali perossido è 4,88 0,10 e questo significa che tutti i radicali idroperossi si dissociano in ioni perossido. Gli ioni perossido possono anche reagire con il perossido di idrogeno, tra loro, o catturare l'ossigeno singoletto risultante. O+H2 O2 ___ O2 +HO +OH -
O+O2 +H2 O ___ I O2 +HO - 2 +OH -
O+ I O 2 ___ 3 O 2 +O+22 kcal. In questo modo si formano ossigeno gassoso, radicali idrossilici, ossigeno singoletto, acqua ossigenata e ossigeno tripletto con rilascio di energia 22 kcal. È stato inoltre confermato che gli ioni metalli pesanti, presenti durante la decomposizione catalitica del perossido di idrogeno, producono radicali idrossilici e ioni perossido. Sono disponibili informazioni sulle costanti di velocità, come i seguenti dati per i tipici alcani del petrolio. Costanti di velocità per l'interazione dell'n-ottano con H, O e OH. k = A exp/E/RT Reazione A/cm 3 /mol:c/ E/kJ/mol/ n-C 8 H 18 + H 7,1:10 14 35,3
+O 1.8:10 14 19.0
+OH 2.0:10 13 3.9
Da questo esempio vediamo che l'attacco dei radicali OH avviene più velocemente e ad una temperatura inferiore rispetto a H e O. La costante di velocità di reazione CO + + OH _ CO 2 + H ha un'insolita dipendenza dalla temperatura a causa dell'energia di attivazione negativa e dell'alta temperatura coefficiente. Può essere scritto come segue: 4.4 x 10 6 x T 1.5 exp/3.1/RT. La velocità di reazione sarà quasi costante e pari a circa 10 11 cm 3 /mol sec a temperature inferiori a 1000 o K, cioè fino a temperatura ambiente. Al di sopra di 1000 o K, la velocità di reazione aumenta più volte. Per questo motivo la reazione domina completamente la conversione della CO in CO 2 durante la combustione degli idrocarburi. Per questo motivo, la combustione precoce e completa della CO migliora l’efficienza termica. Un esempio che illustra l'antagonismo tra O 2 e OH è la reazione NH 3 -H 2 O 2 -NO, dove l'aggiunta di H 2 O 2 porta ad una riduzione del 90% di NO x in un ambiente privo di ossigeno. Se è presente O 2, anche con solo il 2% di PO x la riduzione è notevolmente ridotta. Secondo la presente invenzione viene utilizzato H 2 O 2 per generare radicali OH, che si dissociano a circa 500° C. La loro durata è di massimo 20 ms. Durante la normale combustione dell'etanolo, il 70% del carburante viene speso nella reazione con i radicali OH e il 30% con gli atomi di H. Nella presente invenzione, dove i radicali OH si formano già nella fase di inizio della combustione, la combustione viene notevolmente migliorata grazie all'attacco immediato del combustibile. Quando viene aggiunta una composizione liquida con un alto contenuto di perossido di idrogeno (superiore al 10%), ci sono abbastanza radicali OH per ossidare immediatamente la CO risultante. Con più contenuti bassi perossido di idrogeno, i radicali OH risultanti non sono sufficienti per interagire sia con il carburante che con la CO. La composizione liquida viene fornita in modo tale che non vi sia reazione chimica nello spazio tra il contenitore con il liquido e la camera di combustione, cioè Non avviene la decomposizione dell'acqua ossigenata in acqua e ossigeno gassoso, ed il liquido, inalterato, raggiunge direttamente la zona di combustione o precamera, dove la miscela di liquido e combustibile viene accesa all'esterno della camera di combustione principale. Con una concentrazione sufficientemente elevata di perossido di idrogeno (circa 35%) può verificarsi la combustione spontanea del carburante e la combustione può essere mantenuta. L'accensione di una miscela di liquido e carburante può avvenire per combustione spontanea o per contatto con la superficie catalitica, in cui non è necessario un accenditore o qualcosa di simile. L'accensione può essere effettuata tramite energia termica, ad esempio un accenditore ad accumulo di calore, una fiamma libera, ecc. La miscelazione di alcol alifatico con perossido di idrogeno può avviare una combustione spontanea. Ciò è particolarmente utile in un sistema con precamera dove è possibile impedire che il perossido di idrogeno si mescoli con l'alcol fino a raggiungere la precamera. Se ogni bombola è dotata di una valvola di iniezione della composizione liquida, allora un sistema molto preciso e adatto a tutti condizioni di servizio dosaggio liquidi. Utilizzando un dispositivo di controllo che regola le valvole di iniezione e vari sensori, collegato al motore, inviando segnali al dispositivo di controllo sulla posizione dell'albero motore, sulla velocità e sul carico del motore ed, eventualmente, sulla temperatura di accensione, è possibile ottenere l'iniezione sequenziale e la sincronizzazione dell'apertura e della chiusura delle valvole di iniezione e dosaggio del liquido non solo in funzione del carico e della potenza richiesta, ma anche in base al regime del motore e alla temperatura dell'aria iniettata, il che porta a buon movimento in tutte le condizioni. La miscela liquida sostituisce in una certa misura l'alimentazione dell'aria. Sono stati effettuati numerosi test per determinare le differenze di effetto tra miscele di acqua e acqua ossigenata (rispettivamente 23 e 35%). I carichi selezionati corrispondono al traffico su un'autostrada ad alta velocità e nelle città. È stato testato il motore B20E con freno ad acqua. Il motore è stato riscaldato prima del test. Sotto carico del motore ad alta velocità, il rilascio di NOx, CO e HC aumenta quando il perossido di idrogeno viene sostituito con acqua. Il contenuto di NOx diminuisce con l'aumentare della quantità di perossido di idrogeno. Anche l’acqua riduce gli NOx, ma a questo carico è necessaria una quantità di acqua 4 volte superiore rispetto al perossido di idrogeno al 23% per ottenere la stessa riduzione di NOx. Sotto il carico del traffico cittadino, viene prima erogata acqua ossigenata al 35%, mentre la velocità e la coppia del motore aumentano leggermente (20-30 giri/min/0,5-1 nM). Quando si passa al perossido di idrogeno al 23%, la coppia e la velocità del motore diminuiscono mentre il contenuto di NOx aumenta. Quando si fornisce acqua pulita, è difficile mantenere il motore in funzione. Il contenuto di NS aumenta notevolmente. Pertanto, il perossido di idrogeno migliora la combustione riducendo il contenuto di NOx. Test effettuati dall'Ispettorato svedese dei motori e dei veicoli Modelli SAAB 900i e VoIvo 760 Turbo con e senza perossido di idrogeno al 35% miscelato nel carburante hanno fornito i seguenti risultati per il rilascio di CO, HC, NO x e CO 2. I risultati sono presentati in % dei valori ottenuti utilizzando il perossido di idrogeno rispetto ai risultati senza utilizzare la miscela (Tabella 1). Durante il test su una Volvo 245 G14FK/84 al minimo, il contenuto di CO era del 4% e il contenuto di HC era di 65 ppm senza pulsazioni d'aria (purificazione dei gas di scarico). Quando miscelato con una soluzione di perossido di idrogeno al 35%, il contenuto di CO è sceso allo 0,05% e il contenuto di HC a 10 ppm. Il tempo di accensione era pari a 10° ed i giri erano a Al minimo erano pari a 950 giri al minuto in entrambi i casi. Nei test effettuati presso il Norwegian Marine Technology Institute Istituto di ricerca A/S a Trondheim, le emissioni di HC, CO e NO x sono state controllate per una Volvo 760 Turbo secondo il regolamento ECE N 15.03 con un motore caldo, avviato con o senza l'uso di una soluzione di perossido di idrogeno al 35% durante la combustione (Tabella 2 ). Quanto sopra indica l'uso del solo perossido di idrogeno. Un effetto simile può essere ottenuto anche con altri perossidi e perossicomposti, sia inorganici che organici. La composizione liquida, oltre a perossido e acqua, può contenere anche fino al 70% di alcol alifatico con 1-8 atomi di carbonio e fino al 5% di olio contenente un inibitore di corrosione. La quantità di composizione liquida miscelata nel carburante può variare da pochi decimi di percentuale della composizione liquida della quantità di carburante a diverse centinaia. Grandi quantità vengono utilizzate, ad esempio, per carburanti poco infiammabili. La composizione liquida può essere utilizzata nei motori a combustione interna e in altri processi di combustione che coinvolgono idrocarburi come petrolio, carbone, biomassa, ecc., nei forni a combustione per una combustione più completa e una riduzione dei composti nocivi nelle emissioni.

Reclamo

1. METODO PER MIGLIORARE LA COMBUSTIONE CON LA PARTECIPAZIONE DI COMPOSTI DI IDROCARBURI, in cui una composizione liquida contenente perossidi o perossicomposti e acqua viene rispettivamente introdotta nell'aria di combustione o nella miscela aria-carburante, caratterizzata dal fatto che, per ridurre il contenuto di composti nocivi nei gas di scarico, il liquido della composizione contiene 10 - 60 vol. % di perossido o perosso composto e viene introdotto direttamente e separatamente dal carburante nella camera di combustione senza decomposizione preliminare del perossido o perosso composto, oppure viene introdotto nella camera preliminare, dove la miscela di carburante e composizione liquida viene accesa all'esterno del camera di combustione principale. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella camera preliminare viene introdotto separatamente un alcool alifatico contenente da 1 a 8 atomi di carbonio.