Главная / Образцы дипломных работ

Космическая деятельность химия и экологическая безопасность

Внимание: Акция! Курсовая работа, Реферат или Отчет по практике за 10 рублей!
Только в текущем месяце у Вас есть шанс получить курсовую работу, реферат или отчет по практике за 10 рублей по вашим требованиям и методичке!
Все, что необходимо - это закрепить заявку (внести аванс) за консультацию по написанию предстоящей дипломной работе, ВКР или магистерской диссертации.
Нет ничего страшного, если дипломная работа, магистерская диссертация или диплом ВКР будет защищаться не в этом году.
Вы можете оформить заявку в рамках акции уже сегодня и как только получите задание на дипломную работу, сообщить нам об этом. Оплаченная сумма будет заморожена на необходимый вам период.
В бланке заказа в поле "Дополнительная информация" следует указать "Курсовая, реферат или отчет за 10 рублей"
Не упустите шанс сэкономить несколько тысяч рублей!
Подробности у специалистов нашей компании.

Код работы:	K016567
Тема:	Космическая деятельность химия и экологическая безопасность

Содержание

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
(МПГУ)

Институт биологии и химии

Кафедра органической химии

Герасимова Мария Алексеевна

КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ:
ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Код и направление подготовки:

44.03.05 – Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)

Направленность (профили подготовки) образовательной программы:

Химия и Экология

Выпускная квалификационная работа
бакалавра

Заведующий кафедрой органической химии: д-р химических наук, профессор М.К. Грачев

Проверка на объем заимствований:
__________% авторского текста

Научный руководитель -
зав. кафедрой органической химии, д-р химических наук, профессор М.К. Грачев

Москва – 2018 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………..3

Глава 1. Химические аспекты космической деятельности
…………………………………………………………………………..6

1.1.Ракетное топливо
…………………………………………………………………………..8
1.2. Химические процессы в современных космических ракетах……………………………...…………………………………22

1.3. Сравнительный анализ топлив современных ракет-носителей……………………………………………………………...29
Глава 2. Экологические проблемы космической деятельности…………………………………………………………32
2.1. Воздействие космической деятельности человека на околоземное космическое пространство (ОКП)……………………33

2.2. Воздействие космической деятельности человека на приземную атмосферу……………………………………………………………..46

2.3. Воздействие космической деятельности человека на поверхность Земли…………………………………………………...48

Выводы………………………………………………………………..51

Заключение……………………………………………………………53

Список литературы…………………………………………………...54

Введение

« — Есть такое твердое правило, — сказал мне после Маленький принц. — Встал поутру, умылся, привел себя в порядок — и сразу же приведи в порядок свою планету» [1].

В одной из работ связанной с космической деятельностью, опубликованной в 1999 году, с этой же, казалось бы, простой, но такой мудрой цитаты, начинает свое предисловие В.П. Михайлов [2].

А все потому, что немногие из нас, люди уже XXI века, в котором с каждым днём все активнее развивается космическая деятельность (да и не только космическая), задумываются, о её влиянии на свою планету.

Изменить какое-либо негативное влияние непросто, да и рассматриваемая мною область деятельности по большинству своему подвластна в основном специалистам. Но чем больше люди будут задумываться об этой проблеме, рассказывать о ней, передавать свои знания другим, тем больше будет заинтересованных людей, и даже возможно появятся будущие специалисты. Каждому из нас важно понимать это.
Под космической деятельностью (КД) понимается деятельность, непосредственно связанная с исследованием и использованием космического пространства и осуществляемая посредством космической техники (ракеты-носители, шаттлы, спускаемые аппараты, спутники и т.д.) [11].
Космическая деятельность уже насчитывает более 60 лет своего существования. Основами ракетостроения служат труды известных учёных таких как К.Э.Циолко?вский, Г.Ю. О?берт, Р. Х. Го?ддард.

Огромный вклад в развитие космической деятельности был внесён инженером-конструктором и учёным С.П. Королёвым. Благодаря ему начались разработки космической техники, а затем попытки её

практического применения.

4 октября 1957 года с космодрома «Байконур» успешно был запущен первый искусственный спутник земли – «Спутник-1». Это стало огромным прорывом

в области космонавтики. Затем, всего через пару лет, 12 апреля 1961 года, осуществилась, казалось, несбыточная мечта человечества – полёт человека в космос. На космическом корабле «Восток-1», разработанным С.П. Королёвым, стартовал с космодрома «Байконур», великий лётчик-космонавт Ю.А. Гагарин. Он первый в мире отправился в космос и совершил орбитальный облёт планеты Земля. С этих знаменательных дат и началась активная космическая деятельность человека.

У космической деятельности много плюсов, тем более в нашем современном мире. Но, как и любая другая деятельность человека, она имеет и обратную негативную сторону, с которой уже нельзя мириться и нужно бороться во благо здорового будущего нашей планеты. Говорят «чисто там, где не сорят», но во времена первых запусков, почти и не задумались о том, что космическая деятельность может негативно влиять на наш окружающий мир, ведь главной целью было успешно запустить космическую технику. Сейчас, когда космическую технику мы запускаем не первый день, экологическая безопасность данной деятельности должна занимать важное место в этой отрасли, а так же важно, чтобы это знали и понимали как можно больше людей на нашей планете.

Тема данной работы слишком обширна и сложна чтобы поместить её в один труд. Поэтому основные цели моей работы следующие:
1. Проанализировать химические аспекты космической деятельности.

2. Провести сравнительный анализ топлив современных ракет-носителей.

3. Оценить важность соблюдения экологической безопасности данной деятельности.

Основные задачи моей работы:

1. Разобраться в особенностях такой интересной области деятельности человека, как космическая деятельность.
2. Проанализировать состав ракетных топлив (горючего) и соответствующих им окислителей.
3. Описать химические процессы, которые происходят в современных космических ракетах.
4. Создать сравнительную таблицу современных ракет-носителей.

5. Сделать выводы об экологичности используемого топлива современных ракет-носителей.
6. Оценить влияние космической деятельности человека на околоземное космическое пространство (ОКП), на приземную атмосферу и на поверхность Земли.

Актуальность данной работы:

Космическая техника часто запускается и с каждым днём совершенствуется, в связи с этим накапливаются последствия её деятельности, на которые особое внимание обращает малое количество людей. Если и дальше разрабатывать космическую технику и пренебрегать экологической безопасностью, то катастрофических загрязнений планете Земля не избежать. Приостановить процесс загрязнения планеты ещё можно, но только в том случае, если об этой проблеме будет знать большинство из нас.

Поэтому моя работа является одной из актуальных проблем человечества на сегодняшний день.

Глава 1. Химические аспекты космической деятельности.

«Ракета сама собой не полетит…» — эту фразу приписывают многим известным ученым. И С.П. Королёву, К.Э. Циолковскому.
Чуть ли ни сам Архимед сформулировал идею полета ракеты, но даже и он не представлял себе как заставить ее полететь.
Сами ракеты появились задолго до того, как человек изобрел первый двигатель. Это случилось в Древнем Китае, предположительно, в годы правления династии Хань (III-II вв. до н.э). К тем временам и относят первые упоминания о порохе. Ракета, поднимаясь вверх, благодаря силе, возникшей при взрыве пороха, использовали только в мирных целях – для фейерверков. Запасом горючего у данных ракет выступал, что характерно, порох.

На сегодняшний день, стандартная «космическая ракета», так же её называют

и «ракета-носитель» (РН) состоит из (Рис.1):

1. Грузового отсека.

Здесь находится полезный груз. Та важная составляющая ракеты, которую нужно доставить на орбиту или станцию.
2. Отсека с приборами.

3. Баков с окислителем.

4. Баков с горючим.

5. Камеры сгорания.

Здесь происходит химическая реакция между окислителем и горючим.

6. Сопла.

Сопло – это канал круглой или иной формы, через который газы из камеры сгорания мощной струёй устремляются наружу.
Назначение сопла – повысить скорость струи.

В зависимости от типа ракеты-носителя, может быть одно-, двух-, трехступенчатая ракета. В каждой ступени содержится определенное количество окислителя и горючего.

Рис 1.1. Устройство ракеты-носителя.

Важнейшая составная часть ракеты-носителя – ракетные двигатели. Именно та самая составляющая, без которой ракета-носитель не сможет полететь. К настоящему времени существует много разновидностей ракетных двигателей. Химические, ядерные, электрические, даже плазменные. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. В основе действия ракетных двигателей – третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие, проще говоря – реакция. Поэтому и двигатели такие называются реактивными. Реактивный ракетный двигатель в процессе работы выбрасывает вещество (так называемое рабочее тело) в одном направлении, а сам движется в противоположном направлении. Чтобы понять, как это происходит, не

обязательно самому летать на ракете. Самый понятный, «земной», пример – это отдача, которая получается при стрельбе из огнестрельного оружия. Рабочим телом здесь выступают пуля и пороховые газы, вырывающиеся из ствола. Другой пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. Если его не завязать, он будет лететь до тех пор, пока не выйдет воздух. Воздух здесь

– это и есть то самое рабочее тело. Проще говоря, рабочее тело в ракетном двигателе – продукты сгорания ракетного топлива.

1.1. Ракетное топливо.

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями [6]. Такой двигатель может использовать твёрдое, жидкое, газообразное или смешанное ракетное топливо (Рис.1.2).

Ракетное топливо, как упоминалось ранее, содержится в ступенях ракет. Ракетное топливо - вещество, подвергающееся химическим, ядерным или термоэлектрическим реакциям в ракетном двигателе, для создания его тяги. Космическое ракетное топливо, чаще всего, двухкомпонентное: включает в себя окислитель и горючее.

Химическая реакция между горючим и окислителем начинается в камере сгорания (происходит реакция окисления с выделением тепла), получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу — толкающую силу, заставляющую ракету двигаться.

Общие виды топлива:

I. Твердые: Уголь, торф, древесина, горючий сланец, сапропель.

II. Жидкие: Жидкое ракетное топливо (ЖРТ), нефтяные топлива, синтетические топлива, спирты, эфиры, масла.

III. Газообразные: Водород, метан, пропан, бутан, биогаз.

IV. Нетипичные топлива: Ядерное топливо, термоядерное топливо.

Рис 1.2. Классификация химических топлив для ракетных двигателей.

СРТ – смешанное ракетное топливо [5].

А) Жидкое ракетное топливо (ЖРТ)

Требования к жидким ракетным топливам (ЖРТ):

С точки зрения конструктора, топливо должно: иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях.

С точки зрения эксплуатации:

а) топливо должно быть химически стабильным;

б) желательно, что бы хранение и заправка топлива не вызывали особых проблем;

в) минимальная взрывоопасность топлива;

г) минимальная токсичность как самого топлива, так и продуктов сгорания;

д) минимальная стоимость и освоенная технология производства.

е) хотя бы один компонент должен иметь хорошие свойства как охладителя.

ж) большое значение имеет давление насыщенных паров (это грубо говоря такое давление при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Данный параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков.

Классификация жидкого ракетного топлива ЖРТ (по температуре кипения при нормальном давлении):

Высококипящие компоненты жидкого ракетного топлива (ЖРТ). При максимальной эксплуатационной температуре в баках, давление насыщенных паров значительно ниже допустимого уровня давления в баках по прочности. Примеры: керосин, НДМГ, азотная кислота. Их можно хранить не прибегая к особым методам по охлаждению баков. Долгохранимы.

Низкокипящие компоненты жидкого ракетного топлива (ЖРТ). Давление насыщенных паров близко к максимально допустимому в баках по условиям прочности. Хранить их в герметичных баках без принятия специальных мер по охлаждению и возврату конденсата нельзя. Примеры таких компонентов — аммиак, пропан, тетраоксид азота.

Криогенные компоненты ЖРТ.

Температура кипения весьма низкая. Хранить их в герметичных баках нельзя. Как правило это жидкие газы - кислород и особенно водород. При заправке необходимо принимать специальные меры по предварительному захолаживанию топливных магистралей.

По взаимодействию компонентов при контакте различают: самовоспламеняющиеся (1), ограниченно-самовоспламеняющиеся (2) и несамовоспламеняющиеся (3).

(1): если при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии они воспламеняются (во всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур). Это хорошо с точки зрения упрощения системы поджига, но очень плохо когда компоненты могут подтечь где-нибудь в другом месте, а не в форсуночной головке, которая предназначена для ввода топлива.

(2): для самовоспламенения этих компонентов нужно принимать специальные меры.

(3): Данные топлива требуют поджига.

«Классические» пары:

керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород.

Требуется либо катализатор, либо постоянный поджиг (или температура и/или давление и т.д.), либо третий компонент. Идеальны для транспортировки.

По количеству компонентов жидкие ракетные топлива (ЖРТ) разделяют на одно- компонентные и двух- компонентные (иногда бывает еще и 3-й вспомогательный компонент) топлива.

В качестве однокомпонентных топлив используют вещества, которые разлагаются в камере сгорания (в большинстве случаев каталитически).

Двухкомпонентные топлива, как упоминалось выше, состоят из окислителя и горючего и являются самыми распространенными космическими ракетными топливами.

Рассмотрим все возможные окислители и горючие жидкого ракетного топлива (ЖРТ):

Окислители

Кислород.

Химическая формула — О2 (американское обозначение LOX).). Молекулярный вес — 32.

Плотность — 1140 кг/м3.

Температура кипения — 90,16 К.

Самый простой и давно используемый окислитель. Имеет приемлемую плотность. Используется практически со всеми горючими.

Удельные импульсы:

LOX).-керосин: 2930 м/с.

LOX).-НДМГ: 3040 м/с.

LOX).-H2: 3840 м/с

Очень низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость небольшая — менее 0,1$.

Недостатки:

Криогенный – то есть необходима постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом. В перспективе рассматривается использования переохлажденного кислорода либо кислорода в шугообразной форме, т.е. взвеси твердого кислорода в жидком. Это необходимо для увеличения плотности.

Озон.

Химическая формула — O3 Молекулярный вес — 48.

Плотность — 1700 кг/м3.

Температура кипения — 161,66 К

Одно время являлся перспективный. Имеет более высокую плотность, температуру кипения и удельный импульс, чем кислород (O2). Но нестоек - может взорваться, более химически активен, то есть агрессивен, токсичен.

Азотные окислители:

Азотная кислота.

Химическая формула — HNO3 Молекулярный вес — 63,016.

Плотность — 1510 кг/м3.

Температура кипения — 359 К

Относится к долгохранимым компонентам. Больше распространена на военных жидких ракетных двигателях (ЖРД). Исторически тоже начала использоваться как один из первых окислителей. Освоена в производстве. Небольшая стоимость.
Удельные импульсы:

HNO3-НДМГ: 2795 м/с.

HNO3-керосин: 2310 м/с

Недостатки: Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.

Азотный тетраоксид.

Химическая формула — N2O4 Молекулярный вес — 92,016.

Плотность — 1450 кг/м3.

Температура кипения — 294,36 К.

Пришел на смену азотной кислоте в военных двигателях.

Самовоспламеняется с гидразином, НДМГ (несимметричный

диметилгидразин). Низкокипящий компонент. При особых мерах может

долго храниться.

Удельные импульсы:

N2O4 - НДМГ: 2800 м/с.

N2O4-керосин: 2710 м/с.

N2O4-гидразин: 2860 м/с.

Недостатки: Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида (Ее еще иногда наз. «красной дымящейся азотной кислотой»). Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.

В целом можно сказать, что в основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД космических аппаратов в силу своей долгохранимости и самовоспламеняемости. Характерные горючие – несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и гидразин.

Фтор.

Химическая формула – F2 . Молекулярный вес — 38.

Плотность — 1510 кг/м3.

Температура кипения — 85,16 К.

Прекрасный окислитель. Его можно даже использовать для окисления кислорода или воды. Но чрезвычайно коррозионно активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами.

Перекись водорода.

Химическая формула — H2O2

Молекулярный вес — 34,016.

Плотность — 1440 кг/м3.

Температура разложения — 423 К.

Используют (но редко) в качестве окислителя. Причина: на 1 молекулу кислорода (O2) образуется две молекулы воды (H2O)+ имеет низкий импульс. Нестоек, склонен к разложению, что при используемой концентрации (95%) приводит фактически к взрыву. Однако благодаря этому свойству активно используется как однокомпонентное топливо на космических аппаратах.

На этом список более-менее реальных окислителей исчерпывается.

По химической структуре все возможные окислители можно разделить на пять групп (не только окислители ЖРТ):
Первая группа - простые, элементарные окислители.

Сюда относятся кислород (O2), фтор (F2), хлор (Cl2), и др.

Вторая группа - соединения окислителей. Например, моноокись фтора (OF2) или дифторид кислорода, трифторид хлора (ClF3) , пентафторид брома (BrF5), перхлорилфторид (ClFO3) и другие.

Третья группа - соединения окислителя с горючим.

Например, перекись водорода (H2O2) , хлорная кислота (HClO4).

IV группа. Соединения окислителя с нейтральным веществом. Например азотный тетраоксид или четыреокись азота N2O4, трифторид азота NF3 и др. V группа. Сложные окислители – соединения окислителя с горючим и нейтральным веществом. Например, азотная кислота HNO3, тетранитрометан СN4O8.

По применяемости современные окислители можно разделить на две группы: основные или широко известные и широко применяемые, и перспективные окислители.

Горючих гораздо больше, чем окислителей.

Горючие

В отличие от окислителей их можно разбить на несколько групп: а) Углеводородные горючие.

б) Низкомолекулярные углеводороды. в) Водород.

г) Гидразиновые топлива.

а) Группа углеводородов

Керосин

горючая смесь жидких углеводородов (от C8 до C15) Молекулярный вес — 100 (усл.).
Плотность — 834,7 кг/м3.

Температура кипения — 423-588 К.

Керосин является смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в химической формуле) и «размазанная» температура кипения.

Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно в советских двигателях и в авиации. Именно на нем до сих пор летают «Союзы». Малотоксичен, стабилен. И всё же керосин излишне токсичен.

Он так же требует осторожности в обращении.

Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве.

Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность.

б) Низкомолекулярные углеводороды

Метан

Химическая формула — CH4

Молекулярный вес — 16,043.

Плотность — 420 кг/м3.

Температура кипения — 112 К.

Рассматривается как перспективное топливо, в особенности в последнее время, как альтернатива керосину и водороду. Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: ок. 3234 м/с на земле и ок. 3500 м/с в пустоте. Неплохой охладитель. Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). Вероятно это наиболее перспективное горючее.

К этой же группе можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики как горючих близки (за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения), как и проблемы их использования.

Особняком среди горючих стоит:

в) Водород

Химическая формула – H2 (LH2 - американское обозначение).

Молекулярный вес — 2,016.

Плотность — 71 кг/м3.

Температура кипения — 20,46 К.

Использование пары LOX-LH2 предложил еще Циолковским. С точки зрения термодинамики идеальное рабочее тело для самого жидкого ракетного двигателя. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии.

г) Гидразиновые топлива

Гидразин

Химическая формула — N2H4

Молекулярный вес — 32,048.

Плотность — 1010 кг/м3.

Температура кипения — 386,66 К.

Довольно распространенное топливо. Долгохраним. Широко используется там, где долгохранимость имеет критическое значение. Освоен в производстве. Имеет неплохой удельный импульс с азотным тетраоксидом (N2O4) : 2860 м/с.

Недостатки: Токсичен. Пары гидразина могут взрываться. Склонен к разложению. В силу освоенности производства более распространен в США.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)

Химическая формула — H2N-N(CH3)2 Молекулярный вес — 60,102.
Плотность — 785 кг/м3.

Температура кипения — 336 К.

Долго хранится. Самовоспламеняется с азотными окислителями. Освоен в производстве в России. Недостатки: крайне токсичен. Гидразин чрезвычайно ядовит. Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями. В силу освоенности производства более распространен в России.

Б) Твердые ракетные топлива (ТРТ)

Твёрдое ракетное топливо тоже состоит из окислителя и горючего, но они находятся в смеси твёрдых веществ.

Основные виды:

1) Гомогенные топлива.

В гомогенных топливах одни и те же молекулы одновременно играют роль горючего и окислителя, такие топлива практически всегда включают в себя нитроцеллюлозу.

К достоинствам таких топлив относят:

хорошие механические, температурные свойства; высокую стабильность при

хранении, дешевизну топлива, а также низкое содержание в продуктах горения твёрдых и конденсированных частиц (то есть «бездымность») и экологически вредных веществ (благодаря отсутствию в составе хлора).

2) Дымный порох.

Исторически первым смесевым топливом был чёрный порох, однако сейчас он применяется в качестве твёрдого ракетного топлива только в пиротехнических изделиях различного назначения и модельных ракетах. Он прост в получении, но имеет низкий удельный импульс, неравномерен при горении и гигроскопичен.

3) Современные смесевые твердые топлива.

Смесевые твёрдые топлива (СТТ) представляют собой смесь твёрдого горючего и окислителя. Существует большое количество различных смесей пригодных для ракетостроения. Как правило все они создаются вокруг небольшого количества эффективных твёрдых окислителей, которые комбинируют с различными горючими веществами. Наиболее известные окислители:

Перхлораты: аммония (NH4ClO4), лития (LiClO4), калия (KClO4).

Нитраты (селитры): калия (КNО3), аммония (NH4NO3) и другие. динитрамид аммония (NH4N(NO2)2).

В качестве горючего используются:

металлы или их сплавы, а так же гидриды металлов.

полимеры и смолы (полиэтилен, полиуретан, полибутадиен, каучук, битум).
Другие вещества, к примеру: полисульфиды, бор, углерод.

В современных твердотопливных двигателях большой мощности чаще всего применяют смесь перхлората аммония с алюминием и каучуками. Иногда вместо каучуков используют полиуретан. Алюминий является основным источником тепловой энергии благодаря высокой теплотворности реакции окисления. Однако ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия в реактивной струе является твёрдым веществом и не совершает термодинамической работы при расширении в сопле. Поэтому основным источником газообразных продуктов является полимерное связующее. Удельный импульс такого топлива около 250-280 секунд.

В последние десятилетия для повышения энергетических свойств твёрдых ракетных топлив, а также уменьшения вредного влияния на окружающую среду, ведётся интенсивный поиск окислителей на замену перхлорату аммония, но все предлагаемые вещества пока слишком дороги, неэффективны или опасны.

Мы рассмотрели самые основные используемые топлива.

Чаще всего в космической деятельности используют жидкие ракетные топлива (ЖРТ).

Наиболее распространенными на настоящий момент являются следующие виды топлива (горючего) и окислителя:

1. Керосин – жидкий кислород.

Популярное, дешевое топливо с великолепно развитой и отработанной линейкой двигателей и топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность.

2. Жидкий водород – жидкий кислород.

Низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения водорода делает очень сложным использование топливной пары в первой ступени

ракет-носителей. Однако высокая эффективность приводит к широкому использованию в верхних ступенях ракет-носителей, где приоритет тяги уменьшается, а цена массы растет. Топливо имеет великолепную экологичность.

3. N2O4 — НДМГ (несимметричный диметилгидразин).

Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость, относительная простота топливной арматуры, легкость хранения, хорошая плотность топлива, хорошие энергетические характеристики предопределили широкое распространение. Сегодня предпринимаются усилия по отказу от НДМГ.

Наблюдается также высокий интерес к перспективной топливной паре метан + жидкий кислород.

1.2. Химические процессы в современных космических ракетах.

В начале космической эры ракеты-носители (РН) были только у СССР и США. В настоящее время собственными РН обладают шесть стран: Россия, США, Китай, Япония, Индия и Израиль и две международные корпорации – «Arianespace» (ESA) и «Морской старт» [8].

Первые спутники с помощью собственных ракет-носителей запустили в

1957-1958 гг. СССР и США, в 1970 г. к ним присоединились КНР и Япония, в

1980 г. - Индия, в 1988 г. – Израиль.

Подробнее я рассмотрю ракеты-носители России, США и Евросоюза (Европейское космическое агенство).

Россия

К числу современных наиболее мощных отечественных ракет-носителей (РН) относятся «Союз-2», «Днепр» и «Протон-М».
А) «Союз-2» - носитель среднего класса (высота 50,7 м, диаметр 10,3 м). Первый запуск: 8 ноября 2004.
Крайний запуск: Топливо:
Окислитель – жидкий кислород O2 Горючее – керосин СnH2n+2

Три ступени и разгонный блок «Фрегат».

Стартовая площадка: Плесецк (площадки 43,16), Байконур (площадки 1 и 31), Восточный (старт. комплекс «Союз-2»), ГКЦ – Гвианский космический центр.

Химический процесс:

Пара керосин и жидкий кислород несамовоспламеняющаяся, и требует постоянного поддержания температуры и/или давления, или поджига. Химическая реакция:

СnH2n+2 + O2 ? >? ?nCO?2 + (2n+2)H2O -?H (+Q)

В результате выделяется тепло и образуется углекислый газ и вода.

Б) «Днепр» - украинско-российская ракета-носитель (высота 34,3 м, диаметр 3,0 м).
Первый запуск: 21 апреля 1999.

Крайний запуск: 26 марта 2015.

Топливо:

Окислитель – азотный тетраоксид (N204)

Горючее – несимметричный диметилгидразин НДМГ (С2H8N2)

Три ступени.

Стартовая площадка: Байконур (площадка 109), база Ясный (Оренбургская

область).

Химический процесс:

Несимметричный диметилгидразин самовоспламеняется при контакте с азотным тетраоксидом.
НДМГ поступает в объекты окружающей природной среды совместно с окислителем – тетраоксидом азота, который может образовывать азотную и азотистую кислоты:

N2O4 + H2O ?>? HNO?3 + HNO2

Сведения о взаимодействии НДМГ с оксидом азота в литературе очень

ограничены.

Химическая реакция:

(СH3)2NNH2 + 2N2O4 ? >? ?2С?O2 + 4H20 + 3N2 -?H (+Q)

В результате выделяется тепло и образуется углекислый газ, вода и азот.

В действительности, в естественных условиях, взаимодействие НДМГ с азотистой кислотой (а также и с оксидом азота) протекает значительно

сложнее и с образованием ионов нитрения (СH3)2N+ :

- (СH3)2NNH2, H+ + HNO2 ? >? ?[(?CH3)2N]+ + N2 + 2H2O

Дальнейшая стабилизация неустойчивых нитрениевых ионов идет с образованием нитрогидразинов и вторичных аминов, которые так же являются высокотоксичными загрязнителями окружающей природной среды.

В) «Протон-М» - одноразовая ракета-носитель (РН) тяжёлого класса, предназначенная для выведения автоматических космических аппаратов на орбиту Земли и далее в космическое пространство.

Первый запуск: 16 июля 1965

Крайний запуск: 17 августа 2017

Топливо:

Окислитель - азотный тетраоксид (N204)

Горючее - несимметричный диметилгидразин НДМГ (С2H8N2)

Стартовая площадка: Байконур (площадки 92,1; 81 и 200)

Химический процесс:

N2O4 + H2O ?>? HNO?3 + HNO2

Сведения о взаимодействии НДМГ с оксидом азота в литературе очень

ограничены.

Химическая реакция:

(СH3)2NNH2 + 2N2O4 ? >? ?2С?O2 + 4H20 + 3N2 -?H (+Q)

В результате выделяется тепло и образуется углекислый газ, вода и азот.

сложнее и с образованием ионов нитрения (СH3)2N+ :

- (СH3)2NNH2, H+ + HNO2 ? >? ?[(?CH3)2N]+ + N2 + 2H2O

США

Г) «Atlas-5»» - одноразовая двухступенчатая ракета-носитель семейства Атлас, которая первоначально производилась компанией Lockheed Martin, а затем альянсом United Launch Alliance (ULA), сформированным совместно компаниями Lockheed Martin и Boeing.

Первый запуск: 12 августа 2005
Крайний запуск: 5 мая 2018

Топливо:
Окислитель - жидкий кислород O2
Горючее - керосин СnH2n+2

Запуски ракеты-носителя Атлас V производятся с двух стартовых площадок: Мыс Канаверал — стартовый комплекс SLC-41, восточное побережье США База Ванденберг — стартовый комплекс SLC-3E, западное побережье США. Химический процесс:

СnH2n+2 + O2 ? >? ?nCO?2 + (2n+2)H2O -?H (+Q)

В результате выделяется тепло и образуется углекислый газ и вода.

Д) «Falcon 9»» - семейство одноразовых и частично многоразовых ракет-носителей тяжёлого класса серии Falcon американской компании SpaceX.

Первый запуск: 22 декабря 2015

Крайний запуск: 4 июня 2018

Топливо:

Окислитель - жидкий кислород O2

Горючее - керосин СnH2n+2

В настоящее время запуски Falcon 9 производятся с трёх пусковых площадок:

Космический центр Кеннеди (мыс Канаверал, Флорида, США) — LC-39A; арендуется у НАСА с апреля 2014. Модернизирован для запусков Falcon 9 и Falcon Heavy, будет использоваться для пилотируемых полётов. Первый запуск с площадки состоялся 19 февраля 2017 года.

База Ванденберг (Калифорния, США) — SLC-4E; арендуется у ВВС США. Первый запуск произведён 29 сентября 2013 года. Используется для вывода спутников (в частности, Iridium NEXT) на полярные орбиты

База ВВС США на мысе Канаверал (мыс Канаверал, Флорида, США) — SLC-40; арендуется у ВВС США. Отсюда 4 июня 2010 года был осуществлён первый запуск Falcon 9. Этот стартовый комплекс ранее использовался для запусков ракет Титан III и Титан IV. Площадка пострадала после взрыва ракеты-носителя в сентябре 2016 года, более года была на ремонте и повторно вступила в строй 15 декабря 2017 года.

Ещё на одной площадке ведутся подготовительные и строительно-монтажные работы:

Частный космодром SpaceX (деревня Бока Чика недалеко от Браунсвилл, штат Техас, США). Находится в стадии строительства. Разрешение на строительство получено в июле 2014 года.

Химический процесс:

Пара керосин и жидкий кислород несамовоспламеняющаяся, и требует постоянного поддержания температуры и/или давления, или поджига.

Химическая реакция:

СnH2n+2 + O2 ? >? ?nCO?2 + (2n+2)H2O -?H (+Q)

В результате выделяется тепло и образуется углекислый газ и вода.

Евросоюз (Европейское космическое агенство)

Е) «Ariane – 5»» - европейская одноразовая тяжёлая ракета-носитель семейства Ариан, предназначена для выведения полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (НОО) или геопереходную орбиту (ГПО).

Первый запуск: 4 июня 1996
Крайний запуск: 25 января 2018

Топливо:
Окислитель – жидкий кислород
Горючее – жидкий водород

Стартовая площадка: Куру (космодром)

Химический процесс:

O2 + H2 ? H2O -?H (+Q)

При взаимодействии жидкого кислорода и жидкого водорода выделяется вода (H2O).

Мною были рассмотрены химические процессы основных современных мощных ракет-носителей.

1.3. Сравнительный анализ топлив современных ракет-носителей.

Сравнительный анализ топлив основных современных ракет-носителей,

таких как:

«Союз-2» (Россия)

«Протон-М» (Россия)

«Днепр» (Россия)

«Atlas-5» (США)

«Falcon 9» (CША)

«Ariane-5» (Евросоюз)

Сравнительный анализ был проведен по следующим параметрам:

страна разработчик; ракета-носитель; внешний вид; первый полёт; крайний полёт; габариты; масса; окислитель; горючее; плотность топлива (усреднённая); удельный импульс; полезная нагрузка; возвращение груза; продукты сгорания; экологичность.
Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 1.

Сравнительный анализ был проведен с целью сравнить современные виды топлива и выявить наиболее экологичные из них, то есть те, которые не сильно воздействуют на окружающую среду.

Таблица 1. Сравнительная таблица современных ракет-носителей.

Так как в моей работе имеет главное место экологическая безопасность, то основной вывод из сравнительной таблицы был связан с параметром «Экологичность».

Самым э.......................

Для получения полной версии работы нажмите на кнопку "Узнать цену"

Узнать цену

Каталог работ

Похожие работы: