Фізичні властивості окислювачів для використання в ракетних двигунах

Окислювачі для ракетних двигунів є речовинами, що забезпечують підтримку згоряння пального в умовах, де немає зовнішнього джерела кисню (наприклад, у космосі). Їх фізичні властивості мають вирішальне значення для ефективної роботи ракетних двигунів. Основні фізичні властивості окислювачів включають:

1. Температура кипіння

Температура кипіння визначає, при якій температурі окислювач переходить з рідкого стану в газоподібний. Для окислювачів, що використовуються у рідкому стані (наприклад, рідкий кисень), цей параметр впливає на умови зберігання та транспортування.

Рідкий кисень (LOX): -183°C
Рідкий фтор (LF2): -188°C
Азотна кислота (HNO3): 83°C
Тетраоксид діазоту (N2O4): 21°C

2. Температура замерзання

Це температура, при якій окислювач твердне. Важлива для зберігання та використання в екстремальних умовах (наприклад, у космічних місіях).

Рідкий кисень (LOX): -219°C
Тетраоксид діазоту (N2O4): -11°C
Азотна кислота (HNO3): -42°C
Перекис водню (H2O2, 98%): -0.43°C

3. Щільність

Щільність окислювача впливає на масу, яку потрібно зберігати в обмеженому об’ємі, що важливо для розрахунків маси паливної системи.

Рідкий кисень (LOX): 1.141 г/см³
Тетраоксид діазоту (N2O4): 1.442 г/см³
Перекис водню (H2O2, 98%): 1.44 г/см³
Азотна кислота (HNO3): 1.51 г/см³

4. В’язкість

В’язкість окислювача впливає на його здатність проходити через паливні лінії та інжектори, а також на те, наскільки легко його можна перекачувати в системі.

Рідкий кисень (LOX): ~0.2 мПа·с при -183°C
Тетраоксид діазоту (N2O4): 1.13 мПа·с при 20°C
Азотна кислота (HNO3): 2 мПа·с при 25°C
Перекис водню (H2O2, 98%): 1.245 мПа·с при 25°C

5. Температура розкладання

Ця властивість визначає стабільність окислювача при високих температурах. Важлива для безпечного використання, особливо при довготривалому зберіганні.

Перекис водню (H2O2, 98%): Розкладається при температурі >150°C.
Азотна кислота (HNO3): Розкладається при 120°C.
Тетраоксид діазоту (N2O4): Стабільний, але при високих температурах може розкладатися до NO2.

6. Критична температура та тиск

Критична температура — це температура, вище якої окислювач не може перебувати в рідкому стані, незалежно від тиску. Критичний тиск — це мінімальний тиск, при якому речовина може залишатися в рідкому стані при критичній температурі.

Рідкий кисень (LOX): Критична температура -118.6°C, критичний тиск 50.4 бар.
Тетраоксид діазоту (N2O4): Критична температура 157.8°C, критичний тиск 72.5 бар.

7. Енергетична щільність

Це показник кількості енергії, яку можна отримати при спалюванні одиниці маси або об’єму окислювача з паливом. Чим вища енергетична щільність, тим ефективніший окислювач.

Рідкий кисень (LOX) у поєднанні з рідким воднем дає високу енергетичну ефективність.
Тетраоксид діазоту (N2O4) та гідразин забезпечують високу енергетичну щільність у гіпергольних ракетних двигунах.

Фізичні властивості і характеристика перекису водню як окислювача для використання в ракетних двигунах

Перекис водню H₂О₂

Водний розчин перекису водню високої концентрації застосовується в ракетній техніці і як однокомпонентне паливо, і як окислювач у двохкомпонентному паливі. Перекис водню – нестабільна сполука, здатна до самочинного розкладу на воду та кисень з виділенням тепла.

Характеристика	Концентрація перекису водню, %
Характеристика	80	90	98	100
Густина при 293 К, кг/м ³	1341	1391	1437	1450
В`язкість при 293 К, мПа*с	1,26	1,26	1,25	1,25
Температура, К :
кипіння	416,0	414,3	421,6	423,2
кристалізації	248,2	261,5	270,7	272,6
Коефіцієнт переломлення	–	1,398	–	1,414
Поверхневий натяг, мН/м	75,3	75,5	75,6	75,7
Теплота, кДж/моль
розкладу	96,8	97,5	–	98,1
плавлення при 272,7 К	–	–	–	9,7
розчинення в воді при 298 К	–	–	–	3,2
Питома теплоємність, кДж/(кг*К)	2,7	2,4	2,4	2,4

Фізичні властивості і характеристика рідкого кисню як окислювача для використання в ракетних двигунах

Рідкий кисень О₂

Рідкий кисень є одним з найефективніших окислювачів для ракетного двигуна, і, за багатьма параметрами – найоптимальнішим.

Це – бліднувато-синя прозора рідина, що має низьку в`язкість і велику випаровуваність, що забезпечує добре утворення суміші з пальним. Він не токсичний і корозійно-неагресивний щодо конструкційних матеріалів.

Недоліком цього окислювача є невисока густина і низька температура кипіння, що потребує великих об`ємів і кріостатичних пристосувань для його зберігання.

**Основні фізичні властивості кисню**
Густина, кг/м ³
газу за нормальних умов	1,331
рідини при температурі кипіння	1142
кристалів при температурі кристалізації	1460
*В`язкість рідини при температурі кипіння, мПас**	0,189
Температура, К (С)
кипіння при 0.1 МПа	90,18(-182,98)
кристалізації при 151,9 Па	54,36(-218,7)
Параметри критичного стану:
Температура, К (С)	154,78(-118,84)
Тиск, МПа	5,004
Діелектрична проникність рідини	1,491
Питома теплота, кДж/кг
випаровування	212
плавлення	13,9
*Питома теплоємність, кДж/(кгК)**
газу при нормальних умовах	0.91
рідини при температурі кипіння	1,7
*Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК)**
газу при 293 К (20 С)	2,57*10 ^-2
рідини при 98 К ( -195С)	19,35*10 ^-2

Фізичні властивості і характеристика рідкого озону як окислювача для використання в ракетних двигунах

Рідкий озон O₃

Рідкий озон є одним з можливих окислювачів, що є набагато ефективнішим, ніж кисень, за своїми енергетичними характеристиками, ба навіть більше – ці характеристики кращі, ніж у рідкого фтору.

Озон – це алотропічна видозміна кисню, за нормальних умов являє собою газ блідо-фіолетового кольору. В природі він утворюється в високих шарах атомосфери під дією сонячної радіації та при грозових розрядах.

Озон нестабільний, зі своїм розпадом він виділяє значну кількість енергії:

2О ₃ -> 30 ₂+ 289 кДж/моль

Внаслідок своєї виключно великої вибухонебезпечності озон не використовується як ракетний окислювач. Він може тільки додаватись до рідкого кисню (суміш кисню і озону з вмістом останнього менше 24% не є вибухонебезпечною) для покращення енергетичних характеристик окислювача.