Ученые Самарского университета им. Королёва и Физического института им. Лебедева РАН разработали и изготовили экспериментальную установку левитации, предназначенную для испытания и подбора компонентов высокоэффективных и малотоксичных ракетных топлив нового поколения. Установка позволяет проводить эксперименты с каплями различных веществ в условиях акустической левитации – когда капельки испытываемых жидкостей просто висят в воздухе, поддерживаемые полем ультразвуковых волн.
Условия левитации дают возможность добиваться большей точности и наглядности при проведении химических экспериментов в отличие от традиционных подходов: паря в воздухе, капли не касаются стенок каких-либо сосудов или емкостей, уменьшается внешнее влияние на протекание химических реакций, при этом с летающими каплями можно легко проводить различные манипуляции на расстоянии, не прикасаясь к ним. На созданном левитаторе уже идут эксперименты с гипергольными ионными жидкостями*, которые в будущем могут стать компонентами перспективных ракетных топлив нового поколения. Капли ионных жидкостей различного состава, подчиняясь невидимому ультразвуку, сливаются с каплями окислителя, а ученые изучают возникающие при этом реакции воспламенения и горения, подбирая наилучшую для характеристик будущего космического топлива "рецептуру".
Проект получил финансовую поддержку в виде гранта Российского научного фонда. В исследованиях также принимают участие ученые Института органической химии им. Зелинского РАН.
"Гипергольные ионные жидкости находятся в фокусе внимания многих ученых во всем мире. На основе этих энергоемких жидкостей можно создавать новые виды космического топлива – более эффективные и экологичные. Мы предложили использовать для экспериментального изучения ионных жидкостей новое устройство – установку акустической левитации, или просто левитатор. Такая установка у нас уже собрана, протестирована, и на ней сейчас проходит серия экспериментов с перспективными гипергольными ионными жидкостями", – рассказал Иван Антонов, доцент кафедры оптики и спектроскопии Самарского университета им. Королёва.
По словам ученого, применение акустического левитатора, в сравнении с традиционными подходами в изучении ионных жидкостей, дает экспериментаторам ряд критически важных возможностей. Установка надежно удерживает отдельные капли химически различных веществ в разных узлах акустической стоячей волны и позволяет дистанционно управлять этими каплями: их можно перемещать в пространстве и смешивать друг с другом с помощью низкочастотной модуляции ультразвуковой несущей волны. В результате химические реакции протекают буквально в открытом пространстве, без влияния стенок пробирок или камер сгорания.
"Отсутствие стенок, контактирующих с каплей, так называемые "бесконтейнерные условия", устраняет влияние нежелательных поверхностных реакций и процессов теплообмена, присутствующих в больших объемах жидкости. Кроме того, в левитаторе можно исследовать процессы горения в условиях микрогравитации – совсем почти как в космосе, при этом не нужно использовать специальные сложные испытательные стенды. Левитатор дает уникальную возможность изучать реакции на уровне одиночных капель и исследовать влияние размера отдельной капли – от нескольких сотен микрометров до пары миллиметров – на ее химическую активность. С помощью ультразвукового левитатора можно проводить исследования и по другим направлениям, например, более глубоко изучать процессы горения и впрыска топлива в двигателях, что позволит в будущем создавать более надежные и высокоэффективные двигатели", – отметил Иван Антонов.
Внешне левитатор напоминает некую "этажерку" с несколькими десятками ультразвуковых излучателей, закрепленных на нижней и верхней "полочках", словно маленькие ракетные сопла или горелки духовки, обращенные друг к другу. По словам Ивана Антонова, уникальность созданной системы заключается в использовании особой конфигурации излучателей и применении специальных алгоритмов управления, обеспечивающих селективное управление положением отдельных капель. Состав оборудования, которым оснащена установка, позволяет не только виртуозно управлять летающими каплями, но и также проводить эмиссионную спектроскопию и скоростную оптическую диагностику.
Ведущиеся на установке исследования должны выявить взаимосвязь между структурой ионной жидкости и её гипергольностью, то есть самовоспламеняемостью при контакте с окислителем. На основании найденных закономерностей ученые хотят получить новые оптимальные по свойствам гипергольные ионные жидкости и разработать новые методы их синтеза.
В рамках начальной серии экспериментов на установке было впервые проведено комплексное исследование процесса воспламенения ряда перспективных гипергольных ионных жидкостей при контакте с дымящей азотной кислотой. С помощью высокоскоростной видеосъемки были измерены показатели задержки воспламенения, которые для некоторых жидкостей оказались в два-три раза ниже, чем показывают стандартные тесты. Это указывает на возможность более точного моделирования реальных условий с помощью новой установки.
В ближайшее время на левитаторе планируется провести серию экспериментов с новым классом ионных жидкостей, разработанных в Институте органической химии РАН и содержащих различные энергоемкие анионы. Полученные соединения характеризуются высоким содержанием азота и кислорода и обладают детонационными характеристиками, сравнимыми с тринитротолуолом. При этом жидкости демонстрируют низкую чувствительность к удару.
"В присутствии каталитических добавок данные ионные жидкости проявляют гипергольные свойства, то есть воспламеняются при контакте с окислителями – перекисью водорода, азотной кислотой. Это открывает перспективы их использования в качестве безопасных и эффективных компонентов топливных систем", – подчеркнул Иван Антонов.
Справочно
Ионная жидкость – жидкость, содержащая только ионы. В широком смысле это любые расплавленные соли. Ионные жидкости относятся к так называемым "зеленым растворителям" и применяются в сфере биотехнологий, энергетике, химии, ракетостроении. Гипергольные ионные жидкости – это ионные жидкости, которые самопроизвольно воспламеняются при контакте с окислителем.
Фото: Олеся Орина
