Raketno gorivo sadrži gorivo i oksidans te mu, za razliku od mlaznog goriva, nije potrebna vanjska komponenta: zrak ili voda. Raketna goriva, prema agregatnom stanju, dijele se na tekuća, čvrsta i hibridna. Tekuća goriva dijele se na kriogena (s vrelištem komponenti ispod nula stupnjeva Celzijevih) i visoko vrela (ostatak). Čvrsta goriva sastoje se od kemijskog spoja, krute otopine ili plastificirane mješavine komponenti. Hibridna goriva sastoje se od komponenti u različitim agregatnim stanjima, a trenutno su u fazi istraživanja.
Povijesno gledano, prvo raketno gorivo bio je crni prah, mješavina šalitre (oksidator), drvenog ugljena (gorivo) i sumpora (vezivo), koja je prvi put korištena u kineskim raketama u 2. stoljeću poslije Krista. Streljivo s raketnim motorom na čvrsto gorivo (raketni motor na čvrsto gorivo) korišteno je u vojnim poslovima kao zapaljivo i signalno sredstvo.
Nakon izuma bezdimnog praha krajem 19. stoljeća, na njegovoj je osnovi razvijeno jednokomponentno gorivo od balistita, koje se sastoji od krute otopine nitroceluloze (goriva) u nitroglicerinu (oksidirajućem sredstvu). Gorivo od balistita ima višestruko veću energiju u odnosu na crni prah, ima visoku mehaničku čvrstoću, dobro je oblikovano, zadržava kemijsku stabilnost dugo vremena tijekom skladištenja i ima nisku cijenu. Ove su kvalitete unaprijed odredile široku uporabu balističkog goriva u najmasivnijem streljivu opremljenom čvrstim gorivima - raketama i granatama.
Razvoj u prvoj polovici dvadesetog stoljeća znanstvenih disciplina poput dinamike plina, fizike izgaranja i kemije visokoenergetskih spojeva omogućio je proširenje sastava raketnih goriva korištenjem tekućih komponenti. Prva borbena raketa s raketnim motorom na tekuće gorivo (LPRE) "V -2" koristila je kriogeni oksidator - tekući kisik i gorivo s visokim vrelištem - etilni alkohol.
Nakon Drugog svjetskog rata raketno oružje dobilo je prioritet u razvoju u odnosu na druge vrste naoružanja zbog svoje sposobnosti da isporuči nuklearne naboje do cilja na bilo kojoj udaljenosti - od nekoliko kilometara (raketni sustavi) do interkontinentalnog dometa (balističke rakete). Osim toga, raketno naoružanje značajno je istisnulo topničko naoružanje u zrakoplovstvu, protuzračnoj obrani, kopnenim snagama i mornarici zbog nedostatka sile odbijanja pri lansiranju streljiva s raketnim motorima.
Istodobno s balističkim i tekućim raketnim gorivom, višekomponentno miješano kruto gorivo razvilo se kao najprikladnije za vojnu uporabu zbog svog širokog temperaturnog raspona djelovanja, uklanjanja opasnosti od izlijevanja komponenti, nižih troškova raketnih motora na kruta goriva zbog odsutnosti cjevovode, ventile i pumpe s većim potiskom po jedinici težine.
Glavne karakteristike raketnih goriva
Osim agregatnog stanja njegovih komponenti, raketna goriva karakteriziraju i sljedeći pokazatelji:
- specifični impuls potiska;
- toplinska stabilnost;
- kemijska stabilnost;
- biološka toksičnost;
- gustoća;
- zadimljenost.
Specifični potisak potiska raketnih goriva ovisi o tlaku i temperaturi u komori za izgaranje motora, kao i o molekularnom sastavu produkata izgaranja. Osim toga, specifični impuls ovisi o omjeru ekspanzije mlaznice motora, ali to je više povezano s vanjskim okruženjem raketne tehnologije (zračna atmosfera ili svemir).
Povećani tlak postiže se korištenjem građevinskih materijala velike čvrstoće (legure čelika za raketne motore i organoplastika za kruta goriva). U tom aspektu, raketni motori s tekućim pogonom ispred su čvrstih pogona zbog kompaktnosti pogonske jedinice u usporedbi s karoserijom motora na kruto gorivo, koja je jedna velika komora za izgaranje.
Visoka temperatura produkata izgaranja postiže se dodavanjem metalnog aluminija ili kemijskog spoja - aluminij hidrida u kruto gorivo. Tekuća goriva mogu koristiti takve aditive samo ako su zgusnuta posebnim aditivima. Toplinska zaštita raketnih motora s tekućim pogonom osigurava se hlađenjem s gorivom, toplinska zaštita krutih goriva-čvrstim pričvršćivanjem bloka goriva na stijenke motora i upotrebom umetaka za izgaranje od kompozita ugljik-ugljik u kritičnom presjeku mlaznica.
Molekularni sastav produkata izgaranja / razgradnje goriva utječe na brzinu protoka i njihovo agregatno stanje na izlazu iz mlaznice. Što je masa molekula manja, to je veća brzina protoka: najpoželjniji produkti izgaranja su molekule vode, zatim dušik, ugljični dioksid, oksidi klora i drugi halogeni; najmanje se preferira glinica, koja se kondenzira u krutinu u mlaznici motora, čime se smanjuje volumen plinova koji se šire. Osim toga, frakcija aluminijevog oksida prisiljava korištenje stožastih mlaznica zbog abrazivnog trošenja najučinkovitijih paraboličkih Laval mlaznica.
Za raketna goriva za vojne namjene njihova je toplinska stabilnost od posebne važnosti zbog širokog temperaturnog raspona rada raketne tehnologije. Stoga su se kriogena tekuća goriva (kisik + kerozin i kisik + vodik) koristila samo u početnoj fazi razvoja interkontinentalnih balističkih projektila (R-7 i Titan), kao i za lansirna vozila svemirskih vozila za višekratnu upotrebu (Space Shuttle i Energia) namijenjenog lansiranju satelita i svemirskog oružja u nisko Zemljinu orbitu.
Trenutno vojska koristi isključivo tekuće gorivo s visokim vrelištem na bazi dušikovog tetroksida (AT, oksidans) i asimetričnog dimetilhidrazina (UDMH, gorivo). Toplinska stabilnost ovog para goriva određena je vrelištem AT (+ 21 ° C), što ograničava uporabu ovog goriva projektilima u termostatiranim uvjetima u ICBM i SLBM raketnim silosima. Zbog agresivnosti komponenti, tehnologija njihove proizvodnje i rada raketnih tenkova bila je / je u vlasništvu samo jedne zemlje u svijetu - SSSR -a / RF (ICBM -ovi "Voevoda" i "Sarmat", SLBM -ovi "Sineva" i " Liner "). Iznimno, AT + NDMG koristi se kao gorivo za krstareće rakete zrakoplova Kh-22 Tempest, no zbog problema s kopnenim radom, Kh-22 i njihovu sljedeću generaciju Kh-32 planiraju zamijeniti mlaznim pogonom Krstareće rakete s cirkonom koje koriste kerozin kao gorivo.
Toplinska stabilnost krutih goriva uglavnom je određena odgovarajućim svojstvima otapala i polimernog veziva. U sastavu balistitnih goriva otapalo je nitroglicerin koji u krutoj otopini s nitrocelulozom ima temperaturni raspon rada od minus do plus 50 ° C. U mješovitim gorivima, različita sintetička guma s istim rasponom radnih temperatura koristi se kao polimerno vezivo. Međutim, toplinska stabilnost glavnih komponenata krutih goriva (amonijev dinitramid + 97 ° C, aluminijev hidrid + 105 ° C, nitroceluloza + 160 ° C, amonijev perklorat i HMX + 200 ° C) značajno premašuje slična svojstva poznatih veziva, pa je stoga relevantna potraga za njihovim novim skladbama.
Kemijski najstabilniji par goriva je AT + UDMG, budući da je za njega razvijena jedinstvena domaća tehnologija ampuliranog skladištenja u aluminijskim spremnicima pod blagim viškom tlaka dušika gotovo neograničeno vrijeme. Sva se kruta goriva tijekom vremena kemijski razgrađuju zbog spontanog razlaganja polimera i njihovih tehnoloških otapala, nakon čega oligomeri ulaze u kemijske reakcije s drugim, stabilnijim komponentama goriva. Stoga je provjeravačima na kruta goriva potrebna redovita zamjena.
Biološki otrovna komponenta raketnih goriva je UDMH, koji utječe na središnji živčani sustav, sluznicu očiju i probavni trakt čovjeka te izaziva rak. S tim u vezi, rad s UDMH provodi se u izolaciji kemijskih zaštitnih odijela uz uporabu samostalnih aparata za disanje.
Vrijednost gustoće goriva izravno utječe na masu spremnika goriva LPRE i tijela rakete s krutim pogonom: što je veća gustoća, manja je parazitska masa rakete. Najniža gustoća para goriva vodik + kisik iznosi 0,34 g / cu. cm, par kerozina + kisik ima gustoću 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1,19 g / cu. cm, nitroceluloza + nitroglicerin - 1,62 g / cu. cm, aluminij / aluminij hidrid + perklorat / amonijev dinitramid - 1,7 g / cc, HMX + amonijev perklorat - 1,9 g / cc. U ovom slučaju treba imati na umu da je raketni motor na kruto gorivo aksijalnog sagorijevanja, gustoća naboja goriva približno dva puta manja od gustoće goriva zbog zvjezdastog dijela kanala izgaranja, koji se koristi za održavanje konstantnog tlaka u komori za izgaranje, bez obzira na stupanj sagorijevanja goriva. Isto se odnosi i na balistička goriva, koja su oblikovana kao skup pojaseva ili štapova kako bi se skratilo vrijeme gorenja i udaljenost ubrzanja raketa i raketa. Za razliku od njih, gustoća punjenja goriva u raketnim motorima na kruto gorivo s krajnjim izgaranjem na temelju HMX podudara se s najvećom gustoćom koja je za nju naznačena.
Posljednja od glavnih karakteristika raketnih goriva je dim produkata izgaranja, koji vizualno demaskira let raketa i raketa. Ova je značajka svojstvena krutim gorivima koja sadrže aluminij, čiji se oksidi kondenziraju u kruto stanje tijekom ekspanzije u mlaznici raketnog motora. Stoga se ta goriva koriste u krutim gorivima balističkih projektila, čiji je aktivni dio putanje izvan neprijateljskog vidokruga. Rakete zrakoplova se napajaju gorivom HMX i amonijevim perkloratom, raketama, granatama i protutenkovskim projektilima - s balističkim gorivom.
Energija raketnih goriva
Za usporedbu energetskih mogućnosti različitih vrsta raketnog goriva potrebno je za njih postaviti usporedive uvjete izgaranja u obliku tlaka u komori za izgaranje i omjera ekspanzije mlaznice raketnog motora - na primjer, 150 atmosfera i 300 puta proširenje. Tada će za parove / trojke goriva specifični impuls biti:
kisik + vodik - 4,4 km / s;
kisik + kerozin - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amonijev dinitramid + vodikov hidrid + HMX - 3,2 km / s;
amonijev perklorat + aluminij + HMX - 3,1 km / s;
amonijev perklorat + HMX - 2,9 km / s;
nitroceluloza + nitroglicerin - 2,5 km / s.
Kruto gorivo na bazi amonijevog dinitramida domaći je razvoj kasnih 1980-ih, korišteno je kao gorivo za drugu i treću fazu projektila RT-23 UTTKh i R-39 i još uvijek nisu nadmašeni po energetskim karakteristikama po najboljim uzorcima stranog goriva na bazi amonijevog perklorata.koji se koristi u projektilima Minuteman-3 i Trident-2. Amonijev dinitramid eksploziv je koji eksplodira čak i od svjetlosnog zračenja, pa se njegova proizvodnja provodi u prostorijama osvijetljenim crvenim svjetiljkama male snage. Tehnološke poteškoće nisu dopuštale ovladavanje procesom proizvodnje raketnog goriva na njegovoj osnovi bilo gdje u svijetu, osim u SSSR -u. Druga je stvar što se sovjetska tehnologija rutinski primjenjivala samo u kemijskoj tvornici Pavlograd, koja se nalazi u Dnepropetrovskoj regiji Ukrajinske SSR, a izgubljena je 1990 -ih nakon što je tvornica pretvorena u proizvodnju kemikalija za kućanstvo. Međutim, sudeći prema taktičko-tehničkim karakteristikama obećavajućeg naoružanja tipa RS-26 "Rubezh", tehnologija je obnovljena u Rusiji 2010. godine.
Primjer visoko učinkovitog sastava je sastav krutog raketnog goriva iz ruskog patenta br. 2241693, u vlasništvu Saveznog državnog unitarnog poduzeća Perm Plant imenom CM. Kirov :
oksidant - amonijev dinitramid, 58%;
gorivo - aluminij hidrid, 27%;
plastifikator - nitroizobutiltrinitratglicerin, 11, 25%;
vezivo - polibutadien nitrilna guma, 2, 25%;
učvršćivač - sumpor, 1,49%;
stabilizator izgaranja - ultrafini aluminij, 0,01%;
aditivi - čađe, lecitin itd.
Izgledi za razvoj raketnih goriva
Glavni smjerovi razvoja tekućih raketnih goriva su (prema prioritetu implementacije):
- korištenje prehlađenog kisika radi povećanja gustoće oksidanta;
- prijelaz na kisik u pari goriva + metan, čija zapaljiva komponenta ima 15% veću energiju i 6 puta bolji toplinski kapacitet od kerozina, uzimajući u obzir činjenicu da su aluminijski spremnici otvrdnuti na temperaturi tekućeg metana;
- dodavanje ozona u sastav kisika na razini od 24% radi povećanja vrelišta i energije oksidanta (veliki dio ozona je eksplozivan);
- korištenje tiksotropnog (zgusnutog) goriva, čije komponente sadrže suspenzije pentaborana, pentafluorida, metala ili njihovih hidrida.
Prehlađeni kisik već se koristi u lansirnom vozilu Falcon 9; raketni motori na kisik + metan razvijaju se u Rusiji i Sjedinjenim Državama.
Glavni smjer u razvoju krutih raketnih goriva je prijelaz na aktivna veziva koja sadrže kisik u svojim molekulama, što poboljšava oksidacijsku ravnotežu krutih goriva u cjelini. Suvremeni domaći uzorak takvog veziva je polimerni sastav "Nika-M", koji uključuje cikličke skupine dinitril dioksida i butilendiol polieteruretana, koji je razvio Državni istraživački institut "Kristall" (Dzerzhinsk).
Još jedan obećavajući smjer je proširenje raspona korištenih nitramin eksploziva, koji imaju veću ravnotežu kisika u usporedbi s HMX (minus 22%). Prije svega, to su heksanitroheksaazaisovurtzitan (Cl-20, bilanca kisika minus 10%) i oktanitrokuban (nulta ravnoteža kisika), čije izglede ovise o smanjenju troškova njihove proizvodnje-trenutno je Cl-20 za red veličine skuplji od HMX -a, oktonitrokuban je za red veličine skuplji od Cl -dvadeset.
Osim poboljšanja poznatih vrsta komponenti, također se provode istraživanja u smjeru stvaranja polimernih spojeva, čije se molekule sastoje isključivo od atoma dušika povezanih jednostrukim vezama. Kao rezultat razgradnje polimernog spoja pod djelovanjem zagrijavanja, dušik tvori jednostavne molekule od dva atoma povezana trostrukom vezom. Energija oslobođena u ovom slučaju dvostruko je veća od energije nitramin eksploziva. Po prvi put, dušikove spojeve s kristalnom rešetkom nalik dijamantima dobili su ruski i njemački znanstvenici 2009. godine tijekom pokusa na zajedničkom pilot postrojenju pod djelovanjem tlaka od 1 milijun atmosfera i temperature 1725 ° C. Trenutno se radi na postizanju metastabilnog stanja dušikovih polimera pri uobičajenom tlaku i temperaturi.
Viši dušikovi oksidi obećavaju kemijske spojeve koji sadrže kisik. Dobro poznati dušikov oksid V (čija se ravna molekula sastoji od dva atoma dušika i pet atoma kisika) nema praktičnu vrijednost kao komponenta krutog goriva zbog niskog tališta (32 ° C). Istraživanja u tom smjeru provode se traženjem metode za sintezu dušikovog oksida VI (tetra-dušikov heksaoksid) čija okvirna molekula ima oblik tetraedra na čijim su vrhovima vezana četiri atoma dušika šest atoma kisika smještenih na rubovima tetraedra. Potpuno zatvaranje međuatomskih veza u molekuli dušikovog oksida VI omogućuje predvidjeti povećanu toplinsku stabilnost, sličnu onoj kod urotropina. Ravnoteža kisika dušikovog oksida VI (plus 63%) omogućuje značajno povećanje specifične težine takvih visokoenergetskih komponenti kao što su metali, metalni hidridi, nitramini i ugljikovodični polimeri u krutom raketnom gorivu.
