Raketové palivo obsahuje palivo a okysličovadlo a na rozdiel od leteckého paliva nepotrebuje externú zložku: vzduch alebo vodu. Raketové palivá sa podľa stavu agregácie delia na kvapalné, tuhé a hybridné. Kvapalné palivá sa delia na kryogénne (s bodom varu zložiek pod nula stupňov Celzia) a vysokovriace (zvyšok). Tuhé palivá pozostávajú z chemickej zlúčeniny, tuhého roztoku alebo plastifikovanej zmesi zložiek. Hybridné palivá pozostávajú zo zložiek v rôznych agregátnych stavoch a v súčasnosti sú vo fáze výskumu.
Historicky prvým raketovým palivom bol čierny prášok, zmes ľadu (oxidant), dreveného uhlia (palivo) a síry (spojivo), ktorý bol prvýkrát použitý v čínskych raketách v 2. storočí nášho letopočtu. Munícia s raketovým motorom na tuhé palivo (raketový motor na tuhé palivo) sa používala vo vojenských záležitostiach ako zápalný a signalizačný prostriedok.
Po vynáleze bezdymového prášku na konci 19. storočia bolo na jeho základe vyvinuté jednozložkové palivo ballistite, ktoré pozostáva z tuhého roztoku nitrocelulózy (palivo) v nitroglyceríne (oxidačné činidlo). Palivo Ballistite má v porovnaní s čiernym práškom násobok vyššej energie, má vysokú mechanickú pevnosť, je dobre tvarované, počas skladovania si dlhodobo zachováva chemickú stabilitu a má nízku cenu. Tieto vlastnosti predurčili rozsiahle používanie balistického paliva v najmasívnejšej munícii vybavenej pevnými pohonnými látkami - raketami a granátmi.
Rozvoj takých vedných odborov, akými sú dynamika plynov, fyzika spaľovania a chémia vysokoenergetických zlúčenín, v prvej polovici dvadsiateho storočia umožnil rozšíriť zloženie raketových palív pomocou kvapalných zložiek. Prvá bojová raketa s raketovým motorom na kvapalné palivo (LPRE) „V -2“používala kryogénne oxidačné činidlo - kvapalný kyslík a vysokovriace palivo - etylalkohol.
Po druhej svetovej vojne dostali raketové zbrane prednosť vo vývoji pred inými druhmi zbraní kvôli ich schopnosti dopraviť jadrové náboje na cieľ v akejkoľvek vzdialenosti - od niekoľkých kilometrov (raketové systémy) po medzikontinentálny dostrel (balistické rakety). Raketové zbrane navyše výrazne vytlačili delostrelecké zbrane v letectve, protivzdušnej obrane, pozemných silách a námorníctve kvôli nedostatku sily spätného rázu pri odpaľovaní munície s raketovými motormi.
Súčasne s balistickým a kvapalným raketovým palivom sa viaczložkové zmiešané tuhé palivá vyvíjali ako najvhodnejšie na vojenské účely vďaka svojmu širokému teplotnému rozsahu prevádzky, eliminácii nebezpečenstva rozliatia súčastí a nižším nákladom na raketové motory na tuhé palivo v dôsledku absencie potrubia, ventily a čerpadlá s vyšším ťahom na jednotku hmotnosti.
Hlavné charakteristiky raketových palív
Okrem stavu agregácie svojich zložiek sú raketové palivá charakterizované nasledujúcimi ukazovateľmi:
- špecifický impulz ťahu;
- tepelná stabilita;
- chemická stabilita;
- biologická toxicita;
- hustota;
- dymivosť.
Špecifický nárazový impulz raketových palív závisí od tlaku a teploty v spaľovacej komore motora, ako aj od molekulárneho zloženia produktov spaľovania. Konkrétny impulz navyše závisí od expanzného pomeru dýzy motora, ale to skôr súvisí s vonkajším prostredím raketovej technológie (vzdušná atmosféra alebo vesmír).
Zvýšený tlak je zaistený použitím konštrukčných materiálov s vysokou pevnosťou (oceľové zliatiny pre raketové motory a organoplasty pre tuhé palivá). V tomto ohľade sú raketové motory na kvapalné palivo pred pevnými pohonmi kvôli kompaktnosti ich pohonnej jednotky v porovnaní s telesom motora na tuhé palivá, ktorým je jedna veľká spaľovacia komora.
Vysoká teplota produktov spaľovania sa dosiahne pridaním kovového hliníka alebo chemickej zlúčeniny - hydridu hlinitého do pevného paliva. Kvapalné palivá môžu používať takéto prísady iba vtedy, ak sú zahustené špeciálnymi prísadami. Tepelná ochrana raketových motorov na kvapalné palivo je zaistená chladením palivom, tepelná ochrana tuhých palív-pevným pripevnením palivového bloku k stenám motora a použitím vyhoretých vložiek vyrobených z uhlíkovo-uhlíkového kompozitu v kritickom úseku tryska.
Molekulárne zloženie produktov spaľovania / rozkladu paliva ovplyvňuje prietok a jeho stav agregácie na výstupe z dýzy. Čím nižšia je hmotnosť molekúl, tým vyšší je prietok: najvýhodnejšími produktmi spaľovania sú molekuly vody, po ktorých nasleduje dusík, oxid uhličitý, oxidy chlóru a ďalšie halogény; najmenej výhodný je oxid hlinitý, ktorý kondenzuje na tuhú látku v tryske motora, čím sa znižuje objem expandujúcich plynov. Frakcia oxidu hlinitého navyše núti používať kužeľovité trysky kvôli abrazívnemu opotrebovaniu najúčinnejších parabolických trysiek Laval.
V prípade vojenských raketových palív je ich tepelná stabilita obzvlášť dôležitá vzhľadom na široký teplotný rozsah prevádzky raketovej technológie. Kryogenické kvapalné palivá (kyslík + petrolej a kyslík + vodík) sa preto používali iba v počiatočnom štádiu vývoja medzikontinentálnych balistických rakiet (R-7 a Titan), ako aj pre nosné rakety opakovane použiteľných vesmírnych lodí (Space Shuttle a Energia), určené na vynášanie satelitov a vesmírnych zbraní na obežnú dráhu Zeme.
V súčasnej dobe armáda používa výlučne vysoko vriace kvapalné palivo na báze oxidu dusičitého (AT, oxidant) a asymetrického dimetylhydrazínu (UDMH, palivo). Tepelná stabilita tohto páru palív je daná teplotou varu AT (+ 21 ° C), ktorá obmedzuje použitie tohto paliva raketami za tepelných podmienok v silách ICBM a SLBM. Vzhľadom na agresivitu komponentov technológiu ich výroby a prevádzky raketových tankov vlastnila / vlastní iba jedna krajina na svete - ZSSR / RF (ICBM „Voevoda“a „Sarmat“, SLBM „Sineva“a „ Vložka “). Ako výnimka sa AT + NDMG používa ako palivo pre riadené strely lietadiel Kh-22 Tempest, ale kvôli problémom s pozemnou prevádzkou sa plánuje výmena Kh-22 a ich ďalšej generácie Kh-32 za prúdový Riadené strely zirkónu využívajúce ako palivo petrolej.
Tepelná stabilita tuhých palív je daná hlavne zodpovedajúcimi vlastnosťami rozpúšťadla a polymérneho spojiva. V zložení palív na zaistenie palív je rozpúšťadlom nitroglycerín, ktorý má v tuhom roztoku s nitrocelulózou teplotný rozsah prevádzky od mínus do plus 50 ° C. V zmiešaných palivách sa ako polymérne spojivo používajú rôzne syntetické kaučuky s rovnakým rozsahom prevádzkových teplôt. Tepelná stabilita hlavných zložiek tuhých palív (dinitramid amónny + 97 ° C, hydrid hlinitý + 105 ° C, nitrocelulóza + 160 ° C, chloristan amónny a HMX + 200 ° C) výrazne presahuje podobnú vlastnosť známych spojív, a preto je dôležité hľadať ich nové skladby.
Chemicky najstabilnejším palivovým párom je AT + UDMG, pretože bola preň vyvinutá unikátna domáca technológia ampulizovaného skladovania v hliníkových nádržiach pod miernym prebytočným tlakom dusíka takmer neobmedzene dlho. Všetky tuhé palivá sa časom chemicky degradujú v dôsledku spontánneho rozkladu polymérov a ich technologických rozpúšťadiel, po ktorom oligoméry vstupujú do chemických reakcií s inými, stabilnejšími zložkami paliva. Preto dáma na tuhé palivo potrebuje pravidelnú výmenu.
Biologicky toxickou zložkou raketových palív je UDMH, ktorá ovplyvňuje centrálny nervový systém, očné sliznice a ľudský tráviaci trakt a vyvoláva rakovinu. V tejto súvislosti sa práca s UDMH vykonáva v izolácii chemických ochranných oblekov s použitím nezávislého dýchacieho prístroja.
Hodnota hustoty paliva priamo ovplyvňuje hmotnosť palivových nádrží LPRE a telesa rakety na tuhé palivo: čím vyššia je hustota, tým menšia je parazitická hmotnosť rakety. Najnižšia hustota páru paliva vodík + kyslík je 0,34 g / cu. cm, pár petrolej + kyslík má hustotu 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocelulóza + nitroglycerín - 1,62 g / cu. cm, hydrid hliníka / hliníka + chloristan / dinitramid amónny - 1,7 g / cm3, HMX + chloristan amónny - 1,9 g / cm3. V tomto prípade je potrebné mať na pamäti, že raketový motor na tuhé palivo s axiálnym spaľovaním je hustota palivovej náplne približne dvakrát menšia ako hustota paliva v dôsledku použitého hviezdicového úseku spaľovacieho kanála. udržiavať v spaľovacej komore konštantný tlak bez ohľadu na stupeň vyhorenia paliva. To isté platí pre balistické palivá, ktoré sú tvorené ako súprava pásov alebo palíc na skrátenie doby horenia a vzdialenosti zrýchlenia rakiet a rakiet. Na rozdiel od nich sa hustota palivovej náplne v raketových motoroch na tuhé palivo s koncovým spaľovaním na základe HMX zhoduje s maximálnou hustotou, ktorá je pre ňu uvedená.
Poslednou z hlavných charakteristík raketových palív je dym zo spaľovacích produktov, ktorý vizuálne demaskuje let rakiet a rakiet. Táto vlastnosť je súčasťou pevných palív obsahujúcich hliník, ktorých oxidy kondenzujú počas expanzie v tryske raketového motora do pevného stavu. Preto sa tieto palivá používajú v tuhých pohonných hmotách balistických rakiet, ktorých aktívny úsek trajektórie je mimo zorného poľa nepriateľa. Letecké rakety poháňa palivo HMX a chloristan amónny, rakety, granáty a protitankové rakety - balistické palivo.
Energia raketových palív
Na porovnanie energetických možností rôznych typov raketových palív je potrebné pre ne nastaviť porovnateľné podmienky spaľovania vo forme tlaku v spaľovacej komore a expanzného pomeru dýzy raketového motora - napríklad 150 atmosfér a 300 -násobok rozšírenie. Potom pre páry / trojice palív bude konkrétny impulz:
kyslík + vodík - 4,4 km / s;
kyslík + petrolej - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramid amónny + hydrid vodíka + HMX - 3,2 km / s;
chloristan amónny + hliník + HMX - 3,1 km / s;
chloristan amónny + HMX - 2,9 km / s;
nitrocelulóza + nitroglycerín - 2,5 km / s.
Tuhé palivo na báze dinitramidu amónneho je domácim vývojom konca osemdesiatych rokov minulého storočia, používalo sa ako palivo pre druhý a tretí stupeň rakiet RT-23 UTTKh a R-39 a v energetických charakteristikách ho zatiaľ najlepšie vzorky neprekonali. cudzieho paliva na báze chloristanu amónneho používaného v raketách Minuteman-3 a Trident-2. Dinitramid amónny je výbušnina, ktorá exploduje aj zo svetelného žiarenia; preto sa jeho výroba vykonáva v miestnostiach osvetlených červenými žiarovkami s nízkym výkonom. Technologické ťažkosti neumožnili zvládnuť proces výroby raketového paliva na jeho základe kdekoľvek na svete, okrem ZSSR. Iná vec je, že sovietska technológia bola rutinne implementovaná iba v chemickom závode Pavlograd, ktorý sa nachádza v Dnepropetrovskej oblasti Ukrajinskej SSR, a stratila sa v deväťdesiatych rokoch minulého storočia po tom, ako bol závod prestavaný na výrobu chemikálií pre domácnosť. Podľa taktických a technických charakteristík sľubných zbraní typu RS-26 „Rubezh“však bola technológia v Rusku v 2010-tych rokoch obnovená.
Príkladom vysoko účinného zloženia je zloženie tuhého raketového paliva z ruského patentu č. 2241693, ktoré vlastní federálna štátna jednotná podniková závod Perm pomenovaný po CM. Kirov “:
oxidačné činidlo - dinitramid amónny, 58%;
palivo - hydrid hlinitý, 27%;
zmäkčovadlo - nitroizobutyltrinitrateglycerín, 11, 25%;
spojivo - polybutadiénnitrilový kaučuk, 2, 25%;
tvrdidlo - síra, 1,49%;
stabilizátor spaľovania - ultrajemný hliník, 0,01%;
aditíva - sadze, lecitín atď.
Vyhliadky na vývoj raketových palív
Hlavné smery vývoja kvapalných raketových palív sú (v poradí podľa priority implementácie):
- použitie podchladeného kyslíka na zvýšenie hustoty okysličovadla;
- prechod na palivo pary kyslík + metán, ktorého horľavá zložka má o 15% vyššiu energiu a 6 -krát lepšiu tepelnú kapacitu ako petrolej, berúc do úvahy skutočnosť, že hliníkové nádrže sú kalené pri teplote kvapalného metánu;
- pridanie ozónu do kyslíkového zloženia na úrovni 24% s cieľom zvýšiť bod varu a energiu okysličovadla (veľká časť ozónu je výbušná);
- použitie tixotropného (zahusteného) paliva, ktorého zložky obsahujú suspenzie pentaboránu, pentafluoridu, kovov alebo ich hydridov.
V rakete Falcon 9 sa už používa podchladený kyslík; v Rusku a USA sa vyvíjajú raketové motory poháňané kyslíkom + metánom.
Hlavným smerom vo vývoji tuhých raketových palív je prechod na aktívne spojivá obsahujúce kyslík v ich molekulách, čo zlepšuje oxidačnú rovnováhu tuhých palív ako celku. Modernou domácou vzorkou takého spojiva je polymérna kompozícia „Nika-M“, ktorá obsahuje cyklické skupiny dinitril-dioxidu a butyléndiolpolyéteruretánu, vyvinuté Štátnym výskumným ústavom „Kristall“(Dzerzhinsk).
Ďalším sľubným smerom je rozšírenie sortimentu použitých nitraminových trhavín, ktoré majú v porovnaní s HMX vyššiu bilanciu kyslíka (mínus 22%). V prvom rade ide o hexanitrohexaazaisowurtzitan (Cl-20, kyslíková bilancia mínus 10%) a oktanitrokubán (nulová kyslíková bilancia), ktorých perspektíva závisí od zníženia nákladov na ich výrobu-v súčasnosti je Cl-20 rádovo drahší než HMX, je oktonitrokubán rádovo drahší ako Cl -dvadsať.
Okrem zlepšovania známych typov komponentov sa výskum uskutočňuje aj v smere vytvárania polymérnych zlúčenín, ktorých molekuly pozostávajú výlučne z atómov dusíka spojených jednoduchými väzbami. V dôsledku rozkladu polymérnej zlúčeniny pôsobením zahrievania tvorí dusík jednoduché molekuly dvoch atómov spojených trojitou väzbou. Energia uvoľnená v tomto prípade je dvojnásobkom energie výbušnín nitramínu. Ruské a nemecké vedci prvýkrát získali zlúčeniny dusíka s diamantovou kryštálovou mriežkou v roku 2009 počas experimentov na spoločnej pilotnej prevádzke pod tlakom 1 milióna atmosfér a teplotou 1725 ° C. V súčasnej dobe prebiehajú práce na dosiahnutí metastabilného stavu dusičných polymérov pri bežnom tlaku a teplote.
Vyššie oxidy dusíka sú sľubnými chemickými zlúčeninami obsahujúcimi kyslík. Známy oxid dusnatý V (plochá molekula, ktorá pozostáva z dvoch atómov dusíka a piatich atómov kyslíka) nemá pre svoj nízky bod topenia (32 ° C) praktickú hodnotu ako zložka pevného paliva. Vyšetrovania v tomto smere sa vykonávajú hľadaním spôsobu syntézy oxidu dusnatého VI (tetraoxaxidu dusičitého), ktorého kostrová molekula má tvar štvorstena, na ktorého vrcholoch sú viazané štyri atómy dusíka šesť atómov kyslíka umiestnených na okrajoch štvorstena. Úplné uzavretie medziatomových väzieb v molekule oxidu dusnatého VI umožňuje predpovedať zvýšenú tepelnú stabilitu podobnú urotropínu. Kyslíková bilancia oxidu dusnatého VI (plus 63%) umožňuje výrazne zvýšiť špecifickú hmotnosť takých vysokoenergetických zložiek, akými sú kovy, hydridy kovov, nitramíny a uhľovodíkové polyméry v tuhom raketovom palive.
