Новости космоса и технологий. » Химия » Создание высокоэффективного гиперголического топлива для космических ракет на основе материалов генома

Создание высокоэффективного гиперголического топлива для космических ракет на основе материалов генома

Опубликовал: Admin, 22-12-2020, 10:27, Химия, 55, 0

Создание высокоэффективного гиперголического топлива для космических ракет на основе материалов генома

Большое внимание привлекает новое поколение ракетного топлива для исследования дальнего космоса, такого как ионно-жидкое топливо с длительным сроком службы и высокой стабильностью. Однако ионные жидкие топлива сильно ограничены из-за их неадекватности гиперголический (самовозгорание) реактивность между топливом и окислителем, при котором этот дефект может вызвать локальное выгорание и случайные взрывы во время запуска ракеты. В новом отчете Вэнь-Ли Юань и группа исследователей химии из Университета Сычуань в Китае и Университета Айдахо в США предложили визуальную модель для демонстрации свойств топлива для оценки их характеристик и применения. Геном материалов и модель визуализации пропеллентов значительно повысили эффективность и качество разработки рабочих топлив с приложениями для открытия новых и передовых функциональных молекул в области энергетических материалов. Работа опубликована в Успехи науки .

Исследование космоса и метод материаловедческого генома.

Недавняя стратегия открытия новых материалов представляет собой метод, основанный на « Материалов, геномах », Который основан на анализе больших данных структур и свойств целевых материалов для открытия новых материалов. Исследователи стремятся создать программы искусственного интеллекта и скрининг для анализа большого количества возможных структур в короткие сроки с использованием этого метода. Юань и др. применил метод генома материалов в этой работе, чтобы предсказать наиболее вероятную гиперголическую добавку. Люди всегда были увлечены исследованием космоса и мечтали о путешествиях в пространстве-времени, хотя технологические ограничения сдерживали эту амбицию на тысячи лет. В настоящее время высокопроизводительный космический корабль разрабатываются с использованием современных технологий для обеспечения пилотируемой и беспилотной космической навигации на низкой околоземной орбите и в пределах нашей Солнечной системы.

Химическая энергия, выделяемая двигателем (ракетным топливом), является источником энергии для ракет и космических кораблей и может определятьдиапазон высот и срок службы космического корабля . Примеры включают Ракета Атлас-Кентавр на основе жидкого дигидрогена и кислородного топлива, летящего на Марс и Венеру, а также Ракета Long March 3B содержащий НДМГ (несимметричный диметилгидразин) /тетроксид диазота на Луну . Однако эти высокоэффективные ракетные топлива или топлива ограничены высокой токсичностью и разложением, наряду с их стабильным существованием только на экстремально низкие температуры . Следовательно, существует необходимость в эффективном и систематическом методе разработки высокоэффективных гиперголовых добавок. Метод материалового генома может сократить период исследований, необходимых для разработки таких новых материалов.

Создание базы данных генома гиперголических материалов

Чтобы создать базу данных генома гиперголических материалов, команда определила ключевые структуры гиперголических соединений и исследовала их взаимосвязь между структурой и активностью. Гиперголическая реакция - это экзотермическая окислительно-восстановительная реакция (т.е. горение), при котором компоненты могут самовоспламеняться при контакте в камере сгорания ракеты. Такие соединения обычно состоят из газообразующих элементов, таких как углерод и азот. Подобно взаимосвязи между геном и его парой оснований, различные водород (H), углерод (C), азот (N) и другие элементы составляют серию гипергольных функциональных групп и каркасов для образования гипергольных соединений в качестве подходящего ракетного топлива. Материалы должны были иметь время задержки воспламенения, высокую энтальпию сгорания и высокий удельный импульс для определения полной энергетической полезной нагрузки ракет. Пропеллентные присадки также должны быть стабильными и совместимыми. Исходя из этих требований, Yuan et al. предоставили прямой метод определения ключевых структур гиперголических добавок на основе элементного состава их функциональных структур.

Энергетическое топливо, богатое азотом и углеродом

Энергетическое топливо, богатое азотом, может повысить энергию по сравнению с традиционным топливом, чтобы улучшить удельный импульс ракетного топлива. Используя существующую литературу, исследователи обнаружили взаимосвязь более чем 1000 пропеллентов и их смесей, чтобы понять связь между их элементным составом и свойствами термического разложения. Пропелленты, содержащие от 30 до 50 процентов азота, имели самую высокую термическую стабильность с температурами разложения, превышающими 200 градусов Цельсия. Исследователи установили, что содержание азота должно соответствовать особым требованиям и термической стабильности для высокоэффективных ракетных топлив. Содержащийся углеродный элемент также генерирует значительное количество тепла сгорания и газообразного диоксида углерода необходим для приведения в движение космического корабля чтобы обеспечить достаточную химическую энергию для преодоления силы тяжести. Основываясь на энтальпии сгорания углерода и азота, энтальпия сгорания топлива была положительно связана с содержанием углерода. При разработке ракетного топлива команда объединила пределы содержания азотных элементов в топливе с максимально допустимым содержанием углерода, чтобы достичь наилучших характеристик дляудельный импульс и энтальпия горения.

Структурный состав и квантовый анализ

Структурный состав был еще одной ключевой характеристикой высокоэффективных топлив, определяющей их стабильность, воспламеняемость и биологическую токсичность. Ионные жидкости, состоящие из катионов и анионов, обладают уникальными преимуществами смешиваемости, летучести, гипотоксичности и термической стабильности, что значительно снижает риск воздействие на оператора аэрозолей и дефлаграции . Используя метод скрининга, Yuan et al. предоставил базовые рекомендации по быстрому проектированию и идентификации целевых соединений и рассмотрел другие важные показатели, включая гиперголическую реактивность и плотность, чтобы выбрать лучшую структуру характеристик.

Затем команда провела квантовый анализ, исследуя теория молекулярных орбиталей (МО) анионов в качестве критерия для определения гиперголичности и протестировали 15 анионов, из которых (1-метилгидразинил) тетразолат (МГТ) ионные жидкости отвечает всем требованиям гиперголических добавок. Таким образом, база данных генома и процесс скрининга были завершены. Юань и др. затем изучили структуру и физико-химические свойства ионных жидкостей MHT, включая плотность, термическую стабильность и детонационные свойства. Между прочим, файл Катион 1-бутил-3-метилимидазолия Топливо MHT на основе (Bmim +) имело самую высокую температуру термического разложения, превышающую 200 градусов Цельсия, что было безопасным в экстремальных условиях в космосе. Группа также проверила два дополнительных топлива на основе (Bmim +), в том числе на основе Bmim. дицианамид (BmimDCA) и Bmim 5-аминотетразол (BmimAT) ионные жидкости.

Перспективы - высокоэффективные топлива

Поскольку токсичность топлива была серьезной проблемой, команда проверила токсичность ионных жидкостей с помощью Vibrio fischeri бактерия, которая может определять экологическую приемлемость и токсикологические параметры материалов. Комбинированные ионные жидкости BmimMHT /BmimDCA были полезны как зеленые пропелленты по сравнению с традиционными видами топлива. Ионная жидкость DCA была более уникальной по токсичности, стабильности и летучести. Основываясь на руководстве методом материального генома порохов, Yuan et al. объединили ионную жидкость DCA с BmimMHT, чтобы компенсировать недостаточное гиперголическое поведение DCA.

Таким образом, Вэнь-Ли Юань и его коллеги разработали ранее нереализованное семейство высокоэффективного пороха с использованием пропеллент материалы геномного метода. Ионная жидкость MHT успешно решила проблему воспламенения ионных жидкостей DCA. Стратегия разработки резюмировала взаимосвязь между структурой и активностью пропеллентов в сочетании со стабильностью, гиперголичностью и токсичностью в методе генома первых исследуемых материалов, интегрированном в области пропеллентов. Геномный подход будет направлять и продвигать молекулярный дизайн и применение новых материалов для разработки новых высокоэффективных ракетных топлив.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии