Ракетното гориво съдържа гориво и окислител и за разлика от реактивното гориво не се нуждае от външен компонент: въздух или вода. Ракетните горива според агрегатното си състояние се делят на течни, твърди и хибридни. Течните горива се делят на криогенни (с точка на кипене на компонентите под нула градуса по Целзий) и висококипящи (останалите). Твърдите горива се състоят от химично съединение, твърд разтвор или пластифицирана смес от компоненти. Хибридните горива се състоят от компоненти в различни агрегатни състояния и в момента са в етап на изследване.
Исторически първото ракетно гориво е черен прах, смес от селитра (окислител), въглен (гориво) и сяра (свързващо вещество), която за първи път е използвана в китайските ракети през 2 век сл. Хр. Боеприпаси с ракетен двигател с твърдо гориво (ракетно двигател с твърдо гориво) са използвани във военното дело като запалително и сигнално средство.
След изобретяването на бездимен прах в края на 19 век на негова основа е разработено еднокомпонентно гориво от балистит, състоящо се от твърд разтвор на нитроцелулоза (гориво) в нитроглицерин (окислител). Горивото от балистит има кратно по -висока енергия в сравнение с черния прах, има висока механична якост, добре се формира, запазва химическата стабилност за дълго време по време на съхранение и има ниска цена. Тези качества предопределят широкото използване на балистично гориво в най -масивните боеприпаси, оборудвани с твърдо гориво - ракети и гранати.
Развитието през първата половина на ХХ век на такива научни дисциплини като динамиката на газа, физиката на горенето и химията на високоенергийните съединения направи възможно разширяването на състава на ракетните горива чрез използване на течни компоненти. Първата бойна ракета с ракетен двигател с течно гориво (LPRE) "V -2" използва криогенен окислител - течен кислород и висококипящо гориво - етилов алкохол.
След Втората световна война ракетните оръжия получават приоритет в развитието пред другите видове оръжия поради способността им да доставят ядрени заряди до цел на всяко разстояние - от няколко километра (ракетни системи) до междуконтинентален обсег (балистични ракети). Освен това ракетните оръжия значително са изместили артилерийските оръжия в авиацията, ПВО, сухопътните войски и флота поради липсата на сила на откат при изстрелване на боеприпаси с ракетни двигатели.
Едновременно с балистично и течно ракетно гориво, многокомпонентните смесени твърди горива, разработени като най-подходящи за военна употреба поради техния широк температурен диапазон на действие, премахване на опасността от разливи на компоненти, по-ниска цена на ракетните двигатели с твърдо гориво поради липсата на тръбопроводи, клапани и помпи с по -голяма тяга на единица тегло.
Основните характеристики на ракетните горива
В допълнение към състоянието на агрегация на неговите компоненти, ракетните горива се характеризират със следните показатели:
- специфичен импулс на тяга;
- термична стабилност;
- химическа стабилност;
- биологична токсичност;
- плътност;
- пушене.
Специфичният импулс на тяга на ракетните горива зависи от налягането и температурата в горивната камера на двигателя, както и от молекулния състав на продуктите от горенето. Освен това специфичният импулс зависи от коефициента на разширение на дюзата на двигателя, но това е по -скоро свързано с външната среда на ракетната технология (въздушна атмосфера или космическо пространство).
Повишеното налягане се осигурява чрез използването на структурни материали с висока якост (стоманени сплави за ракетни двигатели и органопласти за твърди горива). В този аспект ракетните двигатели с течно гориво изпреварват твърдото гориво поради компактността на своя задвижващ агрегат в сравнение с корпуса на двигател на твърдо гориво, който представлява една голяма горивна камера.
Високата температура на продуктите от горенето се постига чрез добавяне на метален алуминий или химично съединение - алуминиев хидрид към твърдото гориво. Течните горива могат да използват такива добавки само ако са сгъстени със специални добавки. Топлинната защита на ракетните двигатели с течно гориво се осигурява чрез охлаждане с гориво, термична защита на твърди горива-чрез здраво закрепване на горивния блок към стените на двигателя и използването на вложки за изгаряне, изработени от карбон-въглероден композит в критичния участък на дюзата.
Молекулярният състав на продуктите от горенето / разпадането на горивото влияе върху дебита и агрегатното им състояние на изхода на дюзата. Колкото по -ниско е теглото на молекулите, толкова по -голям е дебитът: най -предпочитаните продукти на горенето са водни молекули, следвани от азот, въглероден диоксид, хлорни оксиди и други халогени; най -малко предпочитан е алуминиевият оксид, който се кондензира до твърдо вещество в дюзата на двигателя, като по този начин намалява обема на разширяващите се газове. В допълнение, фракцията от алуминиев оксид принуждава използването на конични дюзи поради абразивното износване на най -ефективните параболични дюзи Laval.
За военните ракетни горива тяхната термична стабилност е от особено значение поради широкия температурен диапазон на работа на ракетната технология. Следователно криогенните течни горива (кислород + керосин и кислород + водород) са били използвани само в началния етап от развитието на междуконтинентални балистични ракети (R-7 и Титан), както и за ракети-носители на космически кораби за многократна употреба (Space Shuttle и Energia), предназначени за изстрелване на спътници и космически оръжия на нискоземна орбита.
В момента военните използват изключително висококипящо течно гориво на базата на азотен тетроксид (AT, окислител) и асиметричен диметилхидразин (UDMH, гориво). Термичната стабилност на тази двойка горива се определя от точката на кипене на AT (+ 21 ° C), което ограничава използването на това гориво от ракети при термостатирани условия в ракети ICBM и SLBM. Поради агресивността на компонентите, технологията на тяхното производство и експлоатация на ракетни танкове е била / е собственост само на една държава в света - СССР / РФ (МБР „Воевода“и „Сармат“, БРПЛ „Синева“и „ Лайнер ). По изключение AT + NDMG се използва като гориво за крилатите ракети на самолета Kh-22 Tempest, но поради проблеми с наземната експлоатация, Kh-22 и следващото им поколение Kh-32 се планират да бъдат заменени с реактивни Крилати ракети с циркон, използващи керосин като гориво.
Термичната стабилност на твърдите горива се определя главно от съответните свойства на разтворителя и полимерното свързващо вещество. В състава на балиститни горива разтворителят е нитроглицерин, който в твърд разтвор с нитроцелулоза има работен температурен диапазон от минус до плюс 50 ° C. В смесените горива като полимерно свързващо вещество се използват различни синтетични каучуци със същия работен температурен диапазон. Термичната стабилност на основните компоненти на твърди горива (амониев динитрамид + 97 ° C, алуминиев хидрид + 105 ° C, нитроцелулоза + 160 ° C, амониев перхлорат и HMX + 200 ° C) значително надвишава подобните свойства на известните свързващи вещества, и затова е уместно търсенето на техните нови композиции.
Най -химически стабилната горивна двойка е AT + UDMG, тъй като за нея е разработена уникална вътрешна технология за ампулирано съхранение в алуминиеви резервоари при леко излишно налягане на азот за почти неограничено време. Всички твърди горива се разграждат химически с течение на времето поради спонтанното разлагане на полимери и техните технологични разтворители, след което олигомерите влизат в химични реакции с други, по -стабилни горивни компоненти. Следователно, пуловете за твърдо гориво се нуждаят от редовна подмяна.
Биологично токсичният компонент на ракетните горива е UDMH, който засяга централната нервна система, лигавиците на очите и храносмилателния тракт на човека и провокира рак. В тази връзка работата с UDMH се извършва при изолиране на костюми за химическа защита с използване на автономен дихателен апарат.
Стойността на плътността на горивото влияе пряко върху масата на резервоарите за гориво LPRE и корпуса на ракетата с твърдо гориво: колкото по -голяма е плътността, толкова по -малка е паразитната маса на ракетата. Най -ниската плътност на двойката гориво водород + кислород е 0,34 g / cu. cm, чифт керосин + кислород има плътност 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, нитроцелулоза + нитроглицерин - 1,62 g / cu. cm, алуминий / алуминиев хидрид + перхлорат / амониев динитрамид - 1,7 g / cc, HMX + амониев перхлорат - 1,9 g / cc. В този случай трябва да се има предвид, че ракетният двигател с твърдо гориво с аксиално изгаряне, плътността на горивния заряд е приблизително два пъти по-малка от плътността на горивото поради звездообразния участък на горивния канал, използван за поддържане на постоянно налягане в горивната камера, независимо от степента на изгаряне на горивото. Същото се отнася и за балистичните горива, които са оформени като набор от колани или пръчки за съкращаване на времето на горене и разстоянието на ускорение на ракети и ракети. За разлика от тях, плътността на горивното зареждане в ракетни двигатели с твърдо гориво с крайно изгаряне на базата на HMX съвпада с посочената за него максимална плътност.
Последната от основните характеристики на ракетните горива е димът от продукти на горенето, визуално демаскиращ полета на ракети и ракети. Тази характеристика е присъща на твърди горива, съдържащи алуминий, чиито оксиди се кондензират до твърдо състояние по време на разширяване в дюзата на ракетния двигател. Следователно тези горива се използват в твърдо гориво на балистични ракети, чиято активна част от траекторията е извън полезрението на противника. Самолетните ракети се захранват с гориво HMX и амониев перхлорат, ракети, гранати и противотанкови ракети - с балистично гориво.
Енергия на ракетни горива
За да се сравнят енергийните възможности на различни видове ракетно гориво, е необходимо да се зададат сравними условия на горене за тях под формата на налягане в горивната камера и коефициента на разширение на дюзата на ракетния двигател - например 150 атмосфери и 300 пъти разширяване. След това, за горивни двойки / тройки, специфичният импулс ще бъде:
кислород + водород - 4,4 км / сек;
кислород + керосин - 3,4 км / сек;
AT + NDMG - 3,3 км / сек;
амониев динитрамид + водороден хидрид + HMX - 3,2 км / сек;
амониев перхлорат + алуминий + HMX - 3,1 км / сек;
амониев перхлорат + HMX - 2,9 km / s;
нитроцелулоза + нитроглицерин - 2,5 км / сек.
Твърдото гориво на базата на амониев динитрамид е вътрешно разработка от края на 80-те години, използвано е като гориво за втория и третия етап на ракетите RT-23 UTTKh и R-39 и все още не е надминато по енергийни характеристики от най-добрите образци чуждо гориво на базата на амониев перхлорат, използвано в ракетите Minuteman-3 и Trident-2. Амониевият динитрамид е експлозив, който се взривява дори от светлинното излъчване; следователно производството му се извършва в помещения, осветени от червени лампи с ниска мощност. Технологичните трудности не позволиха да се овладее процесът на производство на ракетно гориво на неговата база никъде по света, освен в СССР. Друго нещо е, че съветската технология рутинно се прилагаше само в химическия завод в Павлоград, разположен в Днепропетровска област на Украинската ССР, и беше загубен през 90 -те години на миналия век, след като заводът беше преобразуван за производство на битова химия. Съдейки по тактико-техническите характеристики на обещаващите оръжия от типа RS-26 "Рубеж", технологията е възстановена в Русия през 2010-те.
Пример за високоефективен състав е съставът на твърдо ракетно гориво от руски патент № 2241693, собственост на Федералното държавно унитарно предприятие Пермски завод на име СМ. Киров :
окислител - амониев динитрамид, 58%;
гориво - алуминиев хидрид, 27%;
пластификатор - нитроизобутилтринитратглицерин, 11, 25%;
свързващо вещество - полибутадиен нитрилен каучук, 2, 25%;
втвърдител - сяра, 1,49%;
стабилизатор на горене - ултра фин алуминий, 0,01%;
добавки - сажди, лецитин и др.
Перспективи за развитието на ракетни горива
Основните направления за разработване на течни ракетни горива са (по реда на приоритет на внедряване):
- използването на преохладен кислород с цел увеличаване на плътността на окислителя;
- преход към горивни пари кислород + метан, горимият компонент на който има 15% по -висока енергия и 6 пъти по -добър топлинен капацитет от керосина, като се вземе предвид фактът, че алуминиевите резервоари са втвърдени при температурата на течния метан;
- добавяне на озон към кислородния състав на ниво 24% с цел повишаване на точката на кипене и енергията на окислителя (голяма част от озона е експлозивен);
- използването на тиксотропно (удебелено) гориво, чиито компоненти съдържат суспензии от пентаборан, пентафлуорид, метали или техните хидриди.
В ракетата-носител Falcon 9 вече се използва свръхохладен кислород; ракетни двигатели с кислород + метан се разработват в Русия и САЩ.
Основната посока в развитието на твърди ракетни горива е преминаването към активни свързващи вещества, съдържащи кислород в техните молекули, което подобрява окислителния баланс на твърдите горива като цяло. Съвременна домашна проба на такова свързващо вещество е полимерният състав "Nika-M", който включва циклични групи от динитрил диоксид и бутилендиол полиетеруретан, разработен от Държавния изследователски институт "Кристал" (Дзержинск).
Друго обещаващо направление е разширяването на обхвата на използваните нитраминови експлозиви, които имат по -висок кислороден баланс в сравнение с HMX (минус 22%). На първо място, това са хексанитрохексаазаизоуурцитан (Cl-20, кислороден баланс минус 10%) и октанитрокубан (нулев кислороден баланс), перспективите за които зависят от намаляване на разходите за тяхното производство-в момента Cl-20 е с порядък по-скъп от HMX, октонитрокубанът е с порядък по -скъп от Cl -двадесет.
В допълнение към подобряването на известните видове компоненти, се извършват и изследвания в посока на създаване на полимерни съединения, молекулите на които се състоят изключително от азотни атоми, свързани чрез единични връзки. В резултат на разлагането на полимерно съединение под действието на нагряване азотът образува прости молекули от два атома, свързани чрез тройна връзка. Енергията, отделена в този случай, е два пъти повече от енергията на нитраминовите експлозиви. За първи път азотни съединения с диамантена кристална решетка са получени от руски и германски учени през 2009 г. по време на експерименти на съвместна пилотна инсталация под действието на налягане от 1 милион атмосфери и температура 1725 ° C. В момента се работи за постигане на метастабилно състояние на азотни полимери при обикновени налягане и температура.
По-високите азотни оксиди са обещаващи кислородсъдържащи химични съединения. Добре известният азотен оксид V (плоска молекула от който се състои от два азотни атома и пет кислородни атома) няма практическа стойност като компонент на твърдото гориво поради ниската му точка на топене (32 ° C). Изследванията в тази посока се извършват чрез търсене на метод за синтез на азотен оксид VI (тетра-азотен хексаоксид), чиято рамкова молекула има формата на тетраедър, на върховете на който има четири азотни атома, свързани с шест кислородни атома, разположени по краищата на тетраедра. Пълното затваряне на междуатомните връзки в молекулата на азотен оксид VI дава възможност да се предвиди за него повишена термична стабилност, подобна на тази на уротропин. Кислородният баланс на азотния оксид VI (плюс 63%) дава възможност значително да се увеличи специфичното тегло на такива високоенергийни компоненти като метали, метални хидриди, нитрамини и въглеводородни полимери в твърдото ракетно гориво.
