Двигатели и взрывание

Собственно во всякой топке происходит непрерывно горение-взрьпвание, особенно там, где употребляют форсунки. Однако этим взрыванием з обыкновенной паровой машине или турбине непосредственно не пользуются. Пользуются только получаемым теплом. Когда имеем дешевое топливо, как торф или уголь с негодными примесями, и не стесняемся весом машины, то это очень экономично. Но в локомотиве топливо более чистое и дорогое и экономия здесь меньше. Видно стремление перейти к взрывным моторам (бензоловые и дизельмоторы) или к электрическим.

Второй случай имеем в моторах внутреннего горения. Тут пользуются силой взрывания, и потому эти моторы правильнее называть взрывными. Их выгоды: огромная энергия, экономное использование горючего и потому малый его запас. Невыгода: более чистое и дорогое горючее. В обоих случаях используют ничего нестоящий кислород (из воздуха).

Реактивные автомобили, глиссеры, сани, аэропланы, стратопланы и звездолеты используют запасенный заранее кислород или другой элемент, необходимый для горения. Цель: в короткое время получить чудовищную энергию. Тут могут быть два приема.

1. Кислородный элемент или заменяющий его может быть заранее смешан с горючей частью (например, порох). До сих пор для движения или полета людей употреблялись только готовые взрывчатые вещества.

Преимущества этого приема в следующем: произвольно быстрое выделение энергии и простота в устройстве двигателя. Невыгод гораздо больше, а именно: опасность общего взрыва всего запаса (гибель Тиллинга и др.), обременение машины весом кислородного соединения или жидкого кислорода, обременение весом труб, начиненных взрывчатым веществом и выдерживающих огромное давление вырывающихся сжатых продуктов горения (от этого трубы должны быть крепки и тяжелы) при небольших скоростях, доступный в нижних слоях атмосферы малый процент использования химической энергии, дороговизна взрывчатых веществ.

2. Во втором приеме кислородное соединение отделено от горючего. Элементы соединяются постепенно, как в авиационном моторе, только кислород берется не прямо из воздуха. Опасности общего взрыва нет. Обремененность тяжелыми трубами та же. Но прочие невыгоды остаются.

Что же заставляет прибегать нас к запасенному кислороду? На громадных высотах, в чрезвычайно разреженном воздухе или еще выше, за атмосферой, в пустоте необходим запас кислородного соединения, потому что из атмосферы кислород извлекать практически невозможно, а в пустоте его нет.

Там можно достигнуть больших скоростей и использование химической энергии может быть весьма значительным. Остаются невыгоды: обременение весом кислорода и дороговизна его или его соединений. Но элементами взрывания могут служить: дешевая нефть (горючее) и жидкий кислород или его соединения, например, жидкий азотноватый ангидрид. Это не так дорого. Разделение элементов взрыва уже осуществляется на практике в небольших летающих приборах (без людей). Дело, очевидно, прогрессирует. Но эти приборы имеют другие недостатки, указанные мною в журнале «Самолет» (1932). Поэтому они и дают такие слабые результаты.

Тут мы подразумеваем достижение очень разреженных слоев воздуха, когда извлечение из него кислорода затруднительно.

Элементы взрывчатых веществ для ракетного движения должны обладать следующими свойствами:

• 1. На единицу своей массы при горении они должны выделять максимальную работу.
• 2. Должныпри соединении давать газы или летучие жидкостиобращающиеся, от нагревания в пары.
• 3. Должны при горении развивать возможно низкую температуру, чтобы не сжечь или не расплавить камеру сгорания.
• 4. Должны занимать небольшой объем, т. е. иметь возможнобольшую плотность.
• 5. Должны быть жидкими и легко смешиваться. Употребление же порошков сложно.

* 6. Они могут быть и газообразны, но иметьвысокую критическую температуру и низкое критическое давление, чтобы удобно было их употребить в сжиженном виде. Сжиженные газы вообще невыгодны своей низкой температурой, так как они поглощают тепло для своего нагревания. Лотом употребление их сопряжено с потерями от испарения и опасностью взрыва. Не годятся также дорогие химически неустойчивые или трудно добываемые продукты.

Приведем примеры. Водород и кислород, например, удовлетворяют всем условиям, кроме указанных в пп. 4 и 6. Действительно, жидкий водород в 14 раз легче воды (плотность его 0,07) и потому неудобен, так как занимает большой объем. Потом критическая температура водорода равна 234° холода, а кислорода—119° холода. Углерод в отдельности не годится по своему твердому состоянию. Кремний, алюминий, кальций и другие вещества не годятся не только по твердому состоянию, но и потому, что дают с кислородом нелетучие продукты. Озон не годится, потому что дорог и химически неустойчив. Его температура кипения 106° холода (по Цельсию). Большинство простых и сложных тел непригодно, потому что выделяют при соединении малую энергию на единицу продуктов.

Какие же вещества пригодны? А вот какие.

• 1. Простые или сложные, но имеющие при обыкновенной или не очень низкой температуре жидкое состояние и плотность, недалекую от плотности воды. Значит, можно допустить и сжиженные газы, но имеющие низкие критические температуры.
• 2. Выделяющие наибольшую работу на единицуполученных продуктов. Таковы некоторые слабо экзогенные и в особенности эндогенные соединения. (Последние при разложении не поглощают, а выделяют теплоту и потому особенно выгодны.)
• 3. Недорогие и химически устойчивые.
• 4. Дающие при горении летучие продукты: газы или пары.

Наиболее энергичные составные части взрыва, даюшие летучие продукты, это — водород и кислород.

При образовании водяного пара на каждый кг выделяется 3233 кал. Такое же горение легких металлов — лития, алюминия, магния, а также силиция и бора—дает от 3400 до 5100 кал у т. е. значительно больше. Однако эти материалы непригодны ввиду нелетучести продуктов.

Но в отдельном виде водород и кислород пока неудобны. Лучше всего их заменить слабыми соединениями с другими элементами.

Так что у нас вместо водорода будут водородные соединения, а вместо кислорода—кислородные. Самые подходящие для горения в кислороде — это углеводороды. И водород и углерод при соединении с кислородом дают летучие продукты. Водород при соединении с кислородом на единицу массы продуктов дает больше энергии, чем углерод. Именно водород дает от 3233 (пар) до 3833 (вода), а углерод 2136 кал. (Все последующие числа выражены в «малых калориях на 1 г или на 1 моль вещества.) Поэтому углероды выделяют при горении тем больше энергии, чем больше процент водорода.

Таковы предельные углеводороды. Из них самый простой— метан СН₄, или болотный газ. Он содержит небольшой процент водорода (25%>). Но надо принять во внимание, что большинство этих соединений — экзогенные, т. е. при их образовании выделяется тепло. Когда эти соединения сгорают в кислороде, то они прежде должны разложиться на Н₃ и 0₂, причем обратно поглощается тепло. Кроме того, сжиженный метан имеет низкую температуру (—82° С) кипения и потому неудобен.

Но вычислим его энергию взрыва. Одна часть С требует двух частей 0₂. Ори этом на граммолекулу (моль) выделяется 94 000 кал. Четыре части Н требуют две части О. При этом на 36 г выделяется 116 000 калорий. Всего на 80 г выделяется 210 000 кал. Но предварительное разложение СН₄ требует 18 500 кал на 16 г (моль). Остается 191 500 кал на 80 г. На 1 г продуктов получим 2394 кал.

Среди углеводородов есть такой, который содержит меньщий процент (12,2%) водорода, но образуется он с поглощением теплоты (эндогенное соединение). Это —этилен (С₂Н₄). 'Мы находим его более подходящим. Действительно, две части С требуют четыре части О. На 89 г выделяется 188 000 кал, четыре части Н требуют две части О. На 36 г выделяется 116 000 кал (пар). Значит на 124 г выделяется 304 000 кал. Но при разложении С₂Н₄ выделяется обратно поглощенные ранее на 28 г (моль) 15 400 кал. Так что всего получим 319 400 кал.

Это на 124 г. На 1 г продуктов получим 2576 кал. Это немного больше, чем от метана. Этилен легко сжижается, так как критическая температура его 10° тепла, а критическое давление 52 ат. Этилен легко получается из этилового спирта или эфира при пропускании последних через глиняные шарики, нагретые ло 300—400° С. Выходит, что этилен выгоднее болотного газа (метана).

Рассмотрим теперь бензол С₀Н₀. Как жидкость довольно плотная, он наиболее пригоден для ракеты. Но он содержит только 8°/о водорода. Какова же его энергия на единицу массы продуктов при его химическом соединении с кислородом? При образовании он выделяет на 1 моль (граммолекулу или. 78 г) всего только 102 000 кал. Но все же сделаем расчет. С₀ требует О., и Н, нуждается в О_г>. Значит, на 318 г продуктов выделяется 738 000 кал. Вычитая отсюда поглощение на разложение С_вН_с, получим 727 800 кал. Это на 318 г. На 1 г продуктов найдем 2289 кал. Это немного меньше, чем дает этилен, но зато имеем жидкость обыкновенной температуры с очень незначительным давлением ее паров.

Ацетилен С. Н₂ такого же процентного состава, как газ, неудобен. Притом это экзогенное соединение выделяет гораздо больше тепла при своем образовании, чем бензол, примерно в 18 раз. Значит, и поглощает больше при горении. Кроме того, чем больше в углеводороде углерода, тем выше температура диссоциации, а следовательно, и температура горения. Лучше всего сжиженный водород; но получение его и хранение затруднительно, помимо огромного занимаемою им объема.

Приведем данные о теплоте горения спиртов, эфира и скипидара.

Спирт метиловый. .. СН₄0 2123 кпл

Спирт этиловый … С₂Н_б 2327 .

Эфир… СН₄0₁₆ 2512 «.

Скипидар •. .. ... С₁₀Н_1б 2527 .

Здесь показано число выделяемых калорий на единицу продуктов горения. Видно, что и этими горючими пренебрегать нельзя.

При наших расчетах мы предполагаем сжиженный кислород. Это представляет большие неудобства. Озон же химически неустойчив и практически недоступен. Поэтому обратимся к кислородным соединениям.

Интересны кислородные соединения азота. Перечислим наиболее для нас подходящие. Эндогенное газообразное соединение— закись азота N₂0 — непригодно, потому что содержит большой процент азота. То же можем сказать и про эндогенное соединение— окись азота N0. Третье соединение—азотноватый ангидрид N0₂ — представляет собой бурую довольно устойчивую жидкость. Образование ее (синтез) сопровождается ничтожным выделением тепла. Она химически довольно устойчива (до 500° С) и очень плотна (1,49), что делает ее весьма пригодной. Она — сильный окислитель, но покрытие резервуаров, труб, клапанов и пр. золотом, платиной, иридием и другими неокисляющимися веществами или сплавами предохраняет машины от разъедания.

Пятое соединение — азотный ангидрид N₂0₅— содержит немного менее азота, но оно неудобно по своей химической неустойчивости.

Остановимся на N0₂. Это соединение вполне заменяет кислород, но оно обременено азотом. Это уменьшает скорость вылета газообразных продуктов Горения, потому что увеличивает их массу. Мы остановились на бензоле. Его граммолакула 78. 'Мы «видели, что 78 г этого вещества требует для полного сгорания 240 г кислорода. Вес продуктов при горении в чистом кисло-роде равен 318 г. Но у нас (вместо кислорода N0₂. Тут прибавляется азота 105 г. Продуктов, следовательно, будет 423. Это количествобольше в 423:318 = 1,331 раз. От увеличения <�массы продуктов горения скорость их вылета уменьшается «в 1,15 раза, т. е. составить 87^/0. Например, вместо 6000 м/сек будет 5220 м/сек. Энергия взрыва на 1 г продуктов составит 1721 кал.

Может быть, нам скажут: а нитроглицерин, пироксилин и пр., разве они не дают больше энергии? Увы, гораздо меньше, как это видно из следующей таблицы. В ней показана теплота образования некоторых веществ на 1 г продуктов в малых калориях. Выберемнаиболее энергичные взрывчатые вещества.

Алюминий с аммиачной селитрой… 1480 кал

Порох дымный и бездымный… от 720 до 960.

Нитроглицериновый порох… до 1195.

Нитроглицерин… 3475 «.

Дннитробензол с азотной кислотой … 1480 «.

Пикриновая кислота … 750.

Гремучая ргутн… 350 .

Эти готовые взрывчатые вещества употреблять невозможно вследствие опасности неожиданного взрыва всей массы, даже помимо их малой энергии.

Резюмируем сказанное.

• 1. Водород негоден по. малой плотности и трудности хранения в жидком виде.
• 2. Сжиженный метан СН₄ с жидким кислородом дает 2394 кал и неудобен вследствие низкой температуры кипения.
• 3. Маслородный газ или этилен С_аН₄ с 0₂ дает 2576 кал.

Эта смесь более подходящая, так как этилен имеет критическую температуру, равную 10° С.

4. Бензол С₀Н₀ с кислородом дает 2289 кал. Величина энергии здесь меньше, удобно то, что при нормальной температуре •бензол — жидкость. Пригодны и смеси жидких углеводородов с высокой температурой кипения (-керосин и пр.), тем. более что они дешевы (нефть).

• 5. Употребление жидкого. кислорода представляет некоторое неудобство вследствие затруднений при его хранении.
• 6. Наиболее подходит замена кислорода азотным ангидридом N0₂. Это—бурая, химически устойчивая жидкость плотнее воды. При смешении ее о бензолом на единицу продуктов выделяется 1721 кал.

Эти две жидкости наиболее подходящи для ракеты. Но части машин должны быть предохранены от окисляющего влияния N0₂. Эта энергия <1421 кал) невелика, но больше, чем энергия самого лучшего пороха и самых страшных взрывчатых веществ (нитроглицерин). Притом последние дороги и опасны в эксплоатации.

7. Пригодны также спирты и серный эфир. Приводим еще зависимость между теплотой горения и соответствующей скоростью продуктов сгорания при идеальных условиях, т. е. в пустоте и при очень длинных соплах:

Теплота, б. кал…1000 1500 2000 2500 3000.

Скорость истечения, м/сек.. 2900 3600 4200 4600 5100.

При употреблении эфира получим скорость 4630 м/сек. В этом последнем случае при горизонтальном движении по рельсам или при отсутствии тяжести и сопротивления среды получим следующие окончательные скорости снаряда при разных отношениях веса топлива к весу снаряда со всем содержимым, кроме горючего и 'кислорода.

Отношение веса топлива к весу

конструкции … 1 2 3 4 5.

Максимальная скорость, м/сек. .. 3303 5000 6500 7700 8600.

Отношение веса топлива к весу конструкции… 6 7 8 9 10.

Максимальная скорость, м/сек. .. 9 500 10 100 10 700 11 100 11 300.

Значит, при пятикратном отношении 'можно сделаться спутником Земли, а при десятикратном — спутникам Солнца, так как произойдет отделение снаряда от Земли и перемещение его на орбиту нашей планеты.

Статья была напечатана в сборнике «Реактивное движение», Me 2, 1936.