Задание 1, страница 127 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Используя различные источники информации, выясните:

1. Какое топливо используют в ракетных двигателях?

2. Являются ли продукты сгорания токсичными?

3. Какие экологические проблемы связаны с использованием ракетного топлива?

1. Какое топливо используют в ракетных двигателях?

В ракетных двигателях используются различные типы топлива, которые можно разделить на три основные категории: жидкое, твёрдое и гибридное.

Жидкое ракетное топливо (ЖРТ) состоит из двух раздельно хранящихся компонентов: горючего и окислителя, которые смешиваются в камере сгорания. Преимуществом является возможность управления тягой и многократного включения/выключения двигателя.

• Криогенное топливо: Компоненты хранятся при очень низких температурах. Самая эффективная пара — жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Используется в верхних ступенях ракет и мощных двигателях (например, ракета-носитель «Сатурн-5», «Спейс Шаттл»). Другая распространённая пара — керосин (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Используется в первых ступенях многих ракет (например, «Союз», «Falcon 9»). Перспективной парой является метан и жидкий кислород («Starship»).
• Высококипящее (самовоспламеняющееся) топливо: Компоненты могут храниться при обычных температурах. Обычно это гептил (несимметричный диметилгидразин, НДМГ) в качестве горючего и тетраоксид диазота (амил) в качестве окислителя. Они воспламеняются при контакте друг с другом. Такое топливо очень токсично, но позволяет создавать долгохранимые системы. Используется в двигателях ориентации, маневровых системах и некоторых ракетах-носителях (например, «Протон-М»).

Твёрдое ракетное топливо (ТРТ) представляет собой заранее смешанные и спрессованные горючее (например, порошок алюминия) и окислитель (например, перхлорат аммония), связанные полимерным составом. Двигатели на ТРТ просты по конструкции, надёжны и всегда готовы к запуску. Однако их нельзя выключить или регулировать тягу после зажигания. Они широко применяются в качестве стартовых ускорителей (например, у «Спейс Шаттл», «Ариан-5») и в военных баллистических ракетах.

Гибридное ракетное топливо использует компоненты в разных агрегатных состояниях, например, твёрдое горючее (полимер) и жидкий или газообразный окислитель (например, закись азота). Такие двигатели сочетают преимущества жидкостных и твёрдотопливных систем: они безопаснее твёрдотопливных и проще жидкостных, позволяют регулировать тягу. Пример использования — суборбитальный корабль «SpaceShipTwo».

Ответ: В ракетных двигателях используют жидкое (криогенное или высококипящее), твёрдое и гибридное топливо. Выбор зависит от назначения ракеты, требуемой эффективности и стоимости.

2. Являются ли продукты сгорания токсичными?

Токсичность продуктов сгорания напрямую зависит от типа используемого топлива.

• Жидкий водород + жидкий кислород: Основным продуктом сгорания является водяной пар ($H_2O$), который не является токсичным. Это самая экологически чистая топливная пара.
• Керосин + жидкий кислород: При сгорании образуются углекислый газ ($CO_2$), водяной пар ($H_2O$), а также некоторое количество угарного газа ($CO$) и сажи (частицы углерода). Угарный газ токсичен, а сажа и углекислый газ являются загрязнителями атмосферы.
• Гептил + тетраоксид диазота (самовоспламеняющееся топливо): Сами компоненты чрезвычайно токсичны. Продукты сгорания включают относительно безопасные вещества (вода, углекислый газ, азот), но также могут содержать очень ядовитые соединения, например, нитрозамины. Поэтому такие запуски считаются наиболее опасными для экологии.
• Твёрдое топливо (на основе перхлората аммония и алюминия): При сгорании образуется большое количество твёрдых частиц оксида алюминия ($Al_2O_3$) и газообразный хлороводород ($HCl$). Хлороводород, соединяясь с влагой в атмосфере, образует соляную кислоту, которая выпадает в виде кислотных дождей и разрушает озоновый слой. Частицы оксида алюминия также загрязняют атмосферу.

Ответ: Да, продукты сгорания большинства видов ракетного топлива (кроме пары водород-кислород) являются токсичными или наносят вред окружающей среде. Наиболее токсичные выбросы характерны для двигателей на твёрдом и самовоспламеняющемся жидком топливе.

3. Какие экологические проблемы связаны с использованием ракетного топлива?

Использование ракетного топлива создаёт ряд серьёзных экологических проблем, затрагивающих атмосферу, почву и воду.

1. Загрязнение атмосферы. Выбросы от ракетных двигателей влияют на различные слои атмосферы.
   • Разрушение озонового слоя: Продукты сгорания твёрдого топлива, в частности хлороводород ($HCl$), активно разрушают стратосферный озон, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения.
   • Парниковый эффект: Сжигание углеводородного топлива (керосин, метан) приводит к выбросу углекислого газа ($CO_2$), который является парниковым газом. Хотя общий вклад ракетных запусков в глобальные выбросы невелик, они происходят непосредственно в верхних, чувствительных слоях атмосферы.
   • Кислотные дожди: Выбросы хлороводорода ($HCl$) и оксидов азота приводят к образованию кислотных дождей в районах падения отработанных ступеней и вблизи стартовых площадок.
   • Образование твёрдых частиц: Частицы сажи от сгорания керосина и оксида алюминия от твёрдого топлива, попадая в стратосферу, могут изменять её температурный баланс и химические процессы, а также влиять на формирование облаков.
2. Химическое загрязнение поверхности Земли.
   • Разливы топлива: Высокотоксичные компоненты, такие как гептил, при утечках во время транспортировки или заправки могут приводить к долговременному загрязнению почвы и грунтовых вод.
   • Загрязнение перхлоратами: Остатки перхлората аммония из твердотопливных двигателей, попадая в почву и воду, могут негативно влиять на функцию щитовидной железы у людей и животных.
3. Акустическое воздействие. Шум при запуске ракеты достигает экстремальных значений, что может негативно сказываться на фауне в прилегающих к космодрому районах.

Ответ: Основные экологические проблемы связаны с разрушением озонового слоя, загрязнением атмосферы парниковыми газами и твёрдыми частицами, образованием кислотных дождей, а также химическим загрязнением почвы и воды токсичными компонентами топлива и продуктами их сгорания.