Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

Rakietowa i lufowa oraz amunicja

Moderator: Moderatorzy

Wiadomość
Autor
Awatar użytkownika
AKMSN
Posty: 2289
Rejestracja: 29 maja 2007, 21:35
Kontakt:

Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#1 Post autor: AKMSN » 10 września 2016, 22:24

Dawno temu, nie wiedzieć czemu, byłem przekonany że w przypadku silników rakietowych masa utleniacza jest taka sama jak masa "paliwa właściwego" (nie wiem jak to nazwać), bądź chociaż zbliżona. Jednak po jakimś czasie zorientowałem się że takie założenie najpewniej jest błędem, w końcu w przypadku tłokowych silników spalinowych stała stechiometryczna wynosi około 14 jednostek masy powietrza (dajmy na to, kilogramów) na jedną jednostkę masy benzyny bądź oleju napędowego. Jak to jednak wygląda w przypadku rakiet. Czy też trzeba około 14 kilogramów utleniacza na 1 kg "paliwa właściwego", czy proporcje są inne? Chyba jednak inne, bowiem przykładowo tutaj znalazłem informację że stosunek utleniacza do paliwa wynosi 2,56 (więc chyba 2,56 kg utleniacza na 1 kg paliwa). Podejrzewam że stosunek masy utleniacza do paliwa może być zresztą bardzo różny w zależności od zastosowanego paliwa.
Jeśli interesujesz się uzbrojeniem wejdź na Milimoto

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#2 Post autor: maziek » 11 września 2016, 17:17

Trzeba myśleć "chemicznie". Prosty przykład: silnik wahadłowca spalał wodór w tlenie. Aby to było efektywne (nie ma sensu wieźć nadwyżki utleniacza nad paliwem lub odwrotnie), to każdemu atomowi tlenu trzeba zapewnić dwa atomy wodoru. Nie jest to do końca prawdą w praktyce, bo zwykle trzeba stworzyć odpowiednią "atmosferę" (nadmiar jednego nad drugim - dwa atomy wodoru muszą się spotkać za sobą i z atomem tlenu zanim wylecą poza komorę spalania) - ale to już sprawy techniczne. Wahadłowiec brał 630 ton ciekłego tlenu i 106 ton ciekłego wodoru. Każda reakcja spalania polega na ściśle proporcjonalnym łączeniu się składników i wychodząc od wzoru (wzorów) takiej reakcji można wyliczyć, jakiego stosunku mas potrzeba (z masy molowej).
ukłony...

dexter 1990
Posty: 3477
Rejestracja: 6 lutego 2005, 21:23

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#3 Post autor: dexter 1990 » 12 września 2016, 08:45

Halo, Pany! Mieszacie straszliwie.

AKMSN:
Najpierw piszesz o stosunku masowym:

"w końcu w przypadku tłokowych silników spalinowych stała stechiometryczna wynosi około 14 jednostek masy powietrza (dajmy na to, kilogramów) na jedną jednostkę masy benzyny"

a potem prawdopodobnie o molowym! Prawdopodobnie bo cholera wie.
Nie widze prostszego wyjścia niż poczytać conieco o paliwach rakietowych, przykładowo tutaj przewija się kilka skłądów http://rakiety.pomorze.pl/Stronadomowa/atakna10km.htm

a tu bardziej profesjonalne opracowanie http://ilot.edu.pl/prace_ilot/public/PD ... urmacz.pdf""


Maziek mówi o tym o co mi chodzi: utleniacz czyli np powietrze zawiera 21% tlenu. Utleniacz "tlen" zawiera już 100% tlenu. Różne stałe utleniacze zawierają różną ilość tlenu. Dlatego musimy dokładnie ustalić kiedy mówimy o stosunku molowym a więc w istocie o bilansie tlenowym paliwa a kiedy o stosunkach masowych poszczególnych składników czy udziale pierwiastków w tych składnikach.


I to się zgadza (nie będę tego liczył ale brzmi to w miarę sensownie).

Speedy
Posty: 379
Rejestracja: 19 maja 2004, 21:34
Lokalizacja: Wawa

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#4 Post autor: Speedy » 12 września 2016, 10:47

maziek pisze:Trzeba myśleć "chemicznie". Prosty przykład: silnik wahadłowca spalał wodór w tlenie. Aby to było efektywne (nie ma sensu wieźć nadwyżki utleniacza nad paliwem lub odwrotnie), to każdemu atomowi tlenu trzeba zapewnić dwa atomy wodoru. Nie jest to do końca prawdą w praktyce, bo zwykle trzeba stworzyć odpowiednią "atmosferę" (nadmiar jednego nad drugim - dwa atomy wodoru muszą się spotkać za sobą i z atomem tlenu zanim wylecą poza komorę spalania) - ale to już sprawy techniczne. Wahadłowiec brał 630 ton ciekłego tlenu i 106 ton ciekłego wodoru. Każda reakcja spalania polega na ściśle proporcjonalnym łączeniu się składników i wychodząc od wzoru (wzorów) takiej reakcji można wyliczyć, jakiego stosunku mas potrzeba (z masy molowej).
Dokładnie to jest tak. Reakcja spalania wodoru w tlenie:

2H2 + O2 -> 2H2O

Czyli po stronie substratów mamy 2 mole wodoru na 1 mol tlenu. 2 mole wodoru = 4 g; 1 mol tlenu = 32 g; skracamy to sobie i mamy już, że na 1 g wodoru potrzeba nam 8 g tlenu.

Tyle że my tego nie palimy sobie dla zabawy, tylko w celu uzyskania ciągu napędzającego rakietę. Siła ciągu zależy od różnych rzeczy, a jedną z nich jest średnia masa molowa spalin - im niższa tym lepiej. 1 mol wody = 18 g. To niestety trochę dużo. Dlatego opłaca się dać nadmiar paliwa i przyjąć stosunek H2/O2 nie jak stechiometryczne 1:8 lecz 1:5-6 powiedzmy. Wtedy w produktach spalania zostanie nam nieprzereagowany wodór. Jego masa molowa to tylko 2 g - aż 9 razy mniej niż wody, więc średnia masa molowa spalin obniży nam się znacznie. I uzyskamy wyraźnie większy ciąg niż w przypadku stechiometrycznego stosunku mas. Mimo że niejako stracimy energię, którą moglibyśmy uzyskać ze spalania wodoru.

Oczywiście taka zabawa ma swoje granice, dowolnie mało utleniacza też dać nie można, bo ciepło powstające podczas spalania również na ciąg wpływa (generalnie im więcej tym lepiej). No ale tak jak mówiłem, pewnym optimum jest ten stosunek H2/O2 w okolicach 1:6, ciepła wciąż jeszcze jest wtedy mnóstwo, ale wodoru w produktach też już całkiem sporo.
Pozdro
Speedy

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#5 Post autor: maziek » 12 września 2016, 15:17

Podobnież ta reakcja 2H2 + O2 -> 2H2O może tak być zapisana sumarycznie, ale o ile pamiętam (nie chce mi się grzebać) nie jest to takie proste, bo tlen ciekły występuje nie jako dwuatomowy tylko jako 2x2. W związku z tempem zdarzeń w komorze spalania ;) nie wiem, czy te agregaty rozpadają się przeciętnie przed pierwszym spotkaniem z wodorem, czy przeciętnie później ;) . Ale jeśli później, to pewnie jest możliwych kilka różnych reakcji, w ostateczności jednak kończących się na tym, co na wstępie.
ukłony...

Awatar użytkownika
Okruch
Posty: 1505
Rejestracja: 20 listopada 2009, 13:33
Lokalizacja: Tarnów, Małopolska

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#6 Post autor: Okruch » 12 września 2016, 15:29

I to jest, jeśli mogę tak powiedzieć, jazda na podwójnym gazie... ;)
Dziesiątek
Okruch

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#7 Post autor: maziek » 12 września 2016, 19:02

Speedy, przeanalizowałem Twój wpis i nie pozostaje mi nic innego jak z wdzięcznością podziękować, że czegoś się nauczyłem o czymś, o czym wiedziałem że dzwonią, tylko nie wiedziałem do końca, w którym kościele :) .
ukłony...

Speedy
Posty: 379
Rejestracja: 19 maja 2004, 21:34
Lokalizacja: Wawa

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#8 Post autor: Speedy » 16 września 2016, 11:06

Hej

Ciekawe że o tym słyszałeś, bo to nie jest powszechnie znana sprawa:
maziek pisze:Podobnież ta reakcja 2H2 + O2 -> 2H2O może tak być zapisana sumarycznie, ale o ile pamiętam (nie chce mi się grzebać) nie jest to takie proste, bo tlen ciekły występuje nie jako dwuatomowy tylko jako 2x2.
... niemniej nie masz racji. Tzn. taki dimer O4 nie istnieje (znaczy zawsze można dyskutować co to znaczy "nie istnieje", nie zawsze jest to oczywiste), nie wykryłbyś go np. spektrometrią jakąś czy coś, w widmie masowym takoż. Niemniej pewne specyficzne właściwości magnetyczne ciekłego tlenu tłumaczone są właśnie w ten sposób, że dwie cząsteczki O2 ustawiają się w taką parę o przeciwnych spinach. To jest bardzo słabe oddziaływanie, nie ośmieliłbym się nazwać tego wiązaniem, nie sądzę też by to miało znaczenie w przypadku tak gwałtownych procesów jak spalanie. Ale jak mówię szacunek że o tym słyszałeś.
maziek pisze: . Ale jeśli później, to pewnie jest możliwych kilka różnych reakcji, w ostateczności jednak kończących się na tym, co na wstępie.
Ogólnie procesy spalania są zazwyczaj skomplikowane, wieloetapowe, przechodzą tam przez fazę powstawania różnych dziwacznych rodników w rodzaju HO* czy coś tam. Ale nie ma sensu się tak straszliwie wgłębiać, te procesy są strasznie szybkie i te pośrednie etapy trwają tak krótko, że sumaryczna reakcja jest wystarczająco dobrym przybliżeniem prawdy.
Pozdro
Speedy

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#9 Post autor: maziek » 16 września 2016, 12:51

Słyszałem, bo zainteresowało mnie widziane doświadczenie z paramagnetyzmem tlenu. Jest to jak na moje wyczucie silne oddziaływanie (makroskopowo, widząca na sznurku zlewkę z ciekłym tlenem można daleko odchylić magnesem).
ukłony...

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#10 Post autor: maziek » 16 września 2016, 18:24

Wiszącą oczywiście ;) .
ukłony...

dexter 1990
Posty: 3477
Rejestracja: 6 lutego 2005, 21:23

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#11 Post autor: dexter 1990 » 19 września 2016, 11:29

O, o tym nie słyszałem. Czyli trzeba będzie po prostu sprawdzić :D.

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#12 Post autor: maziek » 19 września 2016, 12:43

Zrób filmik. To co ja widziałem to był długi sznurek, do sufitu w auli, czyli pewnie z 5 m i zlewka o objętości kufelka piwa wypełniona do połowy (na oko szklanka tlenu). No i duży, silny magnes. Wydaje mi się, że prezentował to sir Poliakoff, ten z Periodic Table of Videos, ale teraz nie mogę tego namierzyć, w każdym razie nie ma w odcinku z LOx.
ukłony...

dexter 1990
Posty: 3477
Rejestracja: 6 lutego 2005, 21:23

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#13 Post autor: dexter 1990 » 19 września 2016, 14:56

Jak będę miał okazję :). A na mojej alma mater fizycy z chemikami bardzo niechętnie dzielą się ciekłym azotem. Dziady jedne...

Awatar użytkownika
maziek
Posty: 8183
Rejestracja: 9 września 2006, 22:46

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#14 Post autor: maziek » 19 września 2016, 15:00

Dajcie im trochę ununoctium to będą cysternami podstawiać :) .
ukłony...

dexter 1990
Posty: 3477
Rejestracja: 6 lutego 2005, 21:23

Re: Silniki rakietowe- masa utleniacza względem masy paliwa

#15 Post autor: dexter 1990 » 19 września 2016, 15:07

Okres półtrwania 0,89ms... Nie doniosę :D.

ODPOWIEDZ