Техника - молодёжи 1955-04, страница 9

50°/о). Отработанный газ содержит в себе весьма большое количество тепла, которое, не превращаясь в работу, просто рассеивается в пространстве.

Однако такие потери при правильной конструкции двигателя могут быть значительно уменьшены, в первую очередь за счет максимально возможного снижения температуры выхлопных газов, а в случае паровых машин — пара, поступающего в конденсатор.

Реактивный двигатель позволяет произвести прямое преобразование энергии тепла в энергию движения без помощи промежуточных механизмов, поршней и шатунов.

В самом простом из них—ракете— при горении высококалорийного топлива в камере сгорания образуется большое количество раскаленного до высокой температуры газа (2000°С), который в результате развиваемого им очень высокого давления с большой скоростью вытекает через сопло, создавая отдачу, движущую ракету вперед. Ракета резко отличается от всех других типов реактивного двигателя тем, что несет на себе, кроме топлива, еще и собственный окислитель. Вследствие этого она не нуждается в воздухе, который является сравнительно плохим окислителем, так как 79°/о его объема состоит из инертного азота и других газов. Эти составные части воздуха разбавляют горючую смесь, замедляют ход химической реакции горения и снижают температуру пламени. Из числа наиболее энергичных окислителей в ракетных двигателях чаще всего применяют жидкий кислород и концентрированную азотную кислоту. Более смелые конструкторы работают над жидким фтором и мечтают о жидком озоне.

При употреблении смеси водорода и кислорода в ракете достигается самая высокая скорость истечения газа—до 3 500 м/сек.

Самая низкая скорость истечения газовой струи — около 650 м/сек — получается у турбореактивного двигателя. Зато больше 98% ее составляет воздух, который двигатель забирает из атмосферы.

Расход топлива у современных турбореактивных двигателей не превышает 1 кг на 1 кг тяги в час, в то время как у ракеты расход топлива оказывается в 15 раз больше. И если на стороне ракеты остается выигрыш в скорости, то на стороне турбореактивного двигателя — экономичность и дальность полета.

При существующих температурных ограничениях турбореактивный двигатель вряд ли может достигнуть скорости, в 1,5—2 раза превышающей скорость звука.

Устройство прямоточного воздушного двигателя значительно проще турбореактивного, но его намного труднее осуществить конструктивно. Отсутствие турбины устраняет опасность перегрева и поломок ее лопаток, вследствие чего температура горения рабочей смеси может быть доведена до максимальной величины, которую способно создать топливо— до 2000°С, что позволяет почти удвоить скорость истечения газа по сравнению с турбореактивным. Тем самым отпадает и ограничение его скорости. Прямоточный воздушный реактивный двигатель позволяет развить скорости, в два-три раза превышающие скорость распространения звука.

Электрическая дуга высокой интенсивности, снятая в момент, когда положительный электрод (уголь) начинает плаёиться и из дуги вырывается \длинный факел пламени, содержащий испарившийся углерод и вещества, примешанные к электроду. Температура дуги может достигать 10000°С.

Дальнейшее совершенствование реактивных двигателей в первую очередь зависит от возможности повышения температуры горения топлива и рабочего давления горючей смеси. В турбореактивных двигателях температура горения в настоящее время ограничена 900°С, так как уже при этой температуре лопатки и другие детали турбины, изготовленные из самых жаропрочных сталей, приобретают светлокрасное свечение и становятся опасно слабыми. Широко применяемая в авиационном моторостроении обычная хромо-молибденовая сталь теряет 97% своей прочности уже при температуре 800°С.

За последние годы разработана целая группа новых сплавов на базе кобальта, хрома, никеля и других элементов, обещающая увеличить рабочие температуры двигателя до 1000°С. Дальнейший прогресс в этой области требует новых исканий.

Первый резкий скачок, до температур порядка 1200—1500°С, сулит применение металлокерамических материалов. Дальнейшее повышение температур станет возможно, если удастся успешно решить задачу принудительного охлаждения лопаток турбин. Лабораторные образцы роторов турбин, изготовленных из простой нержавеющей стали, охлаждаемых жидкостью, оказались способными выдерживать рабочие температуры газа выше 1200°С.

Следует учесть, что из-за ограничений в жаростойкости применяемых материалов современные авиационные газовые турбины используют меньше И топлива, которое могло бы сжигаться в них, исходя из количества воздуха, которое практически возможно нагнетать в камеры сгорания. Устранение этих ограничений позволило бы поднять рабочую температуру в турбореактивном двигателе до 2000"С и выше.

В лабораторных условиях сейчас удается получать температуру горения выше 3000°С.

Большие возможности добиться увеличения скорости движения обещает применение новых видов топлива, в частности мелких порошков алюминия и бериллия.

Смесь фтора и водорода позволяет получать еще более высокие температуры — до 4500°С, однако фтор является сильно корродирующим и ядовитым веществом, сильно затрудняющим его сколько-либо широкое применение. Эта смесь является наиболее перспективной для ряда

специальных случаев, например для космических полетов. Увеличение энергии горения примерно на 20°/о могло бы дать еще применение жидкого озона.

Можно предположить, что скорость истечения газовой струи порядка 3 500 м/сек, которую можно получить при помощи химических реакций, на данном этапе развития реактивной - техники является верхним пределом.

К этой скорости еще около 650 м/сек могло бы добавить увеличение в два-три раза степени сжатия рабочей смеси, что, в свою очередь, безусловно еще больше затруднит решение проблемы охлаждения двигателей и создания новых жаропрочных материалов для них.

Более совершенные пути увеличения рабочих температур и давлений в реактивных двигателях, а следовательно, и увеличения скоростей их полета лежат в применении уже не химической, а ядерной энергии.

ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ХИМИИ

Область температур, лежащая между 1000 и 3000°С, весьма заманчива для химика. Он может получить такие температуры различными путями: в высокотемпературном пламени, в высокочастотной индукционной печи, в электрической дуге, в солнечном нагревателе, а также в печи со специальным нагревательным элементом. Но сильные затруднения им испытываются при подборе огнеупоров и тиглей, в которых нагреваются исследуемые вещества.

Выше 2000°С не может быть жидкой воды, несмотря ни на какие давления, а твердое состояние может сохранять весьма ограниченное число веществ Выше 4000 и 5000°С разрушаются молекулы и приходится иметь дело главным образом с атомами и ионами.

Реакции, происходящие при обычных температурах достаточно медленно, так что их можно и наблюдать и измерять, при 2000°С становятся практически моментальными и ненаблюдаемыми.

В химической промышленности при помощи высоких температур можно получать ценные химические вещества, которые не могут быть легко получены при обычных температурах. Примером этому может служить процесс фиксации азота воздуха. До сих пор для его получе-

7