Пропин — это легкий углеводород, содержащий довольно много энергии в тройном углеродном соединении. Сам по себе он не представляет значительной опасности для здоровья или взрыва, и некоторые европейские исследования показали, что он является хорошим потенциальным топливом.
Это энергичное, относительно плотное топливо, хотя и горит довольно жарко. он также существует в равновесии с пропадиленом, хотя я не знаю, какое влияние это окажет.
Однако разработка двигателей для нового типа топлива может вызвать серьезные проблемы, не все из которых очевидны. Итак, давайте предположим, что какая-то компания решила пойти по стопам Vector, но перейти на пропин вместо пропилена. Если оставить в стороне производство топлива, какие трудности могут возникнуть при разработке такой новой ракеты?
В целом, при прочих равных, насыщенные углеводороды (например, алканы), вероятно, будут работать лучше, чем их эквивалентные родственники с двойными или тройными связями.
Хотя двойные и тройные связи содержат много удельной энергии, ракетная тяга — это нечто большее, чем просто подвод энергии. В конечном счете, вы пытаетесь разогнать выхлопной газ настолько быстро, насколько это возможно. Используя термодинамические процессы, вы в конечном итоге ограничены в том, насколько быстро продукты выхлопа могут фактически расширяться. Если вы поддерживаете постоянные температуру и давление на входе, скорость на выходе обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы газа.
Вполне вероятно, что, независимо от вашего выбора топлива, ваши условия температуры и давления на входе будут ограничены другими техническими соображениями (например, отсутствие плавления или разрыва вашей камеры сгорания). В этом случае вы получите максимальную отдачу от затраченных средств, сделав ваши выхлопные газы максимально легкими. Углеводороды, сжигаемые с кислородом, будут выделять в порядке увеличения молекулярной массы воду, монооксид углерода и диоксид углерода в качестве основных выхлопных газов. Насыщенные углеводороды, содержащие больше водорода на единицу массы, будут выделять больше воды, чем ненасыщенные углеводороды, что делает выхлопные газы сравнительно легче и быстрее.
В дополнение к ответу Тристана есть несколько других соображений:
Пропин не является природным материалом; он должен быть синтезирован. Напротив, керосин встречается в природе в сырой нефти, а водород используется во многих промышленных процессах для его дешевого производства. Следовательно, производство пропина будет более сложным и дорогим, чем более широко используемое топливо.
Температура кипения пропина 23°С. Его можно удерживать в жидком состоянии при температуре 20°C и давлении 5,2 атм. Это означает, что это криогенное топливо, хотя его намного проще использовать, чем большинство других видов криогенного топлива.
Углеродные двойные и тройные связи имеют привычку взаимодействовать с другими органическими молекулами. На самом деле пропин используется для синтеза более крупных молекул. Это означает, что часть вашего топлива может самополимеризоваться, пока оно хранится под давлением. (На самом деле, тефлон был обнаружен, когда цилиндр из сжатого тетрафторэтилена, казалось, потерял свое давление без потери веса. Когда они открыли цилиндр, он был заполнен белым порошком, который представлял собой полимеризованный ТФЭ.)
В отличие от ответа Тристана, в котором утверждается, что характеристики пропина «вероятно» хуже, чем у насыщенных углеводородов, используемых в настоящее время, из-за более высокой средней массы дымовых газов, пропин (метилацетилен) на самом деле превосходит его с точки зрения Isp и, согласно этому источнику , является 4-м топливом по эффективности . среди всех углеводородов, а пропадиен (аллен) занимает 2-е место. Есть много других факторов, таких как температура, удельная теплоемкость выхлопных газов, соотношение O/F и т. д., которые влияют на удельный импульс.
Пропин (метиацетилен) находится в равновесии с пропадиеном (алленом). Смесь часто обозначается аббревиатурой MA-PD.
H3CC≡CH ⇌ H2C=C=CH2
Более высокие температуры благоприятствуют пропадиену, и его доля в смеси увеличивается.
При всем при этом, каковы тогда проблемы с его использованием в ракетостроении?
Высокая температура горения . Смесь традиционно используется в сварочно-режущей промышленности в качестве основного компонента газа MAPP (метилацетилен-пропадиен-пропан) из-за высоких температур пламени. В ракетных двигателях температура повышается еще больше из-за высокого давления, и было бы сложнее эффективно охлаждать камеру сгорания. Обычный подход к снижению температуры горения в камере с обогащенными смесями в случае МА-ПД дает больше сажи, чем РП-1. Присутствие твердых частиц в выхлопных газах может свести на нет прирост производительности.
Взрывоопасность – И пропин, и пропадиен имеют высокие энтальпии образования, 185,67 кДж /моль и 190,06 кДж /моль соответственно. Они способны к детонации, взрывному разложению или взрывной реакции, но требуют сильного источника инициирования или должны быть нагреты в замкнутом пространстве перед инициированием.Для снижения взрывоопасности в крупномасштабной промышленности смесь МА-ПД разбавляют пропаном (имеющим большую отрицательную энтальпию образования) и считают эту смесь стабилизированной. Подобный подход в ракетостроении приведет к потере прироста производительности. Кроме того, каждое взрывчатое вещество имеет параметр, называемый «критическим диаметром» (минимальный диаметр удержания, при котором может произойти детонация). Для смесей МА-ПД этот параметр определен недостаточно точно, и возможно, что детонация может произойти в ракетных или накопительных баках, хотя она не появится в накопительных баках, используемых в сварочной промышленности, из-за гораздо меньшего диаметра.
Полимеризация - MA-PD склонен к полимеризации при повышенных температурах и давлениях из-за высокой реакционной способности тройной связи между атомами углерода. Регенеративное охлаждение с помощью MA-PD было бы рискованным как по причинам полимеризации, так и по причинам взрыва, оставляя кислород в качестве единственной охлаждающей среды, и этого также избегают на практике (хотя и не без успешных примеров). В сварочной промышленности замещенные амины используются в качестве ингибиторов полимеризации, но будет ли это работать в ракетостроении, вопрос.
Скачки давления гидравлического удара . В ракетных двигателях могут возникать сильные пики давления, когда жидкости ускоряются, а затем внезапно останавливаются. Это может произойти во время заливки, запуска и дросселирования двигателя. При одновременном использовании топлива в качестве монотоплива (пропин исследовался как монотопливо) возникает риск адиабатической компрессионной детонации, которая может привести к разрушению конструкции двигателя. Двигательная установка спутника ISPM (Международная солнечная полярная миссия) (использовавшая гидразин в качестве монотоплива) была повреждена во время испытаний, когда проявился этот эффект . Это представляет собой дополнительную проблему при проектировании подсистем питающих линий ракетных двигателей.
Токсичность . Пропин (наряду с MA-PD) токсичен при вдыхании в высоких концентрациях. Уровень IDLH (непосредственно опасный для жизни) составляет 3400 ppm, или 0,34%. Этот предел может быть легко достигнут при работе с большими объемами газа, как это имеет место в ракетной технике.
Стоимость . Спрос в крупной промышленности снизился, потому что кислород/ацетилен более экономичен при сварке, а пропан/воздух более экономичен при нагреве. Для сравнения, MAPP (который в лучшем случае содержит 71% MA-PD) до четырех раз дороже пропана.
Стив Линтон
Стив Линтон
Стив Линтон