Raketno gorivo vsebuje gorivo in oksidant in za razliko od reaktivnega goriva ne potrebuje zunanjih komponent: zraka ali vode. Raketna goriva glede na agregatno stanje delimo na tekoča, trdna in hibridna. Tekoča goriva delimo na kriogena (z vreliščem komponent pod nič stopinj Celzija) in visoko vrela (preostala). Trdna goriva so sestavljena iz kemične spojine, trdne raztopine ali plastificirane mešanice komponent. Hibridna goriva so sestavljena iz komponent v različnih agregatnih stanjih in so trenutno v fazi raziskovanja.
Zgodovinsko gledano je bilo prvo raketno gorivo črni prah, mešanica soli (oksidant), oglja (gorivo) in žvepla (vezivo), ki je bila prvič uporabljena v kitajskih raketah v 2. stoletju našega štetja. Strelivo z raketnim motorjem na trdo gorivo (raketni motor s trdim pogonom) je bilo v vojaških zadevah uporabljeno kot zažigalno in signalno sredstvo.
Po izumu brezdimnega prahu konec 19. stoletja so na njegovi osnovi razvili enokomponentno gorivo iz balistita, ki ga sestavlja trdna raztopina nitroceluloze (gorivo) v nitroglicerinu (oksidantu). Gorivo Ballistite ima večkrat večjo energijo v primerjavi s črnim prahom, ima visoko mehansko trdnost, je dobro oblikovano, ohranja kemično stabilnost dolgo časa med skladiščenjem in ima nizko ceno. Te lastnosti so vnaprej določile široko uporabo balističnega goriva v najmasivnejšem strelivu, opremljenem s trdnim gorivom - raketami in granatami.
Razvoj v prvi polovici dvajsetega stoletja takšnih znanstvenih disciplin, kot so dinamika plina, fizika zgorevanja in kemija visokoenergijskih spojin, je omogočil razširitev sestave raketnih goriv z uporabo tekočih sestavin. Prva bojna raketa z raketnim motorjem na tekoče gorivo (LPRE) "V -2" je uporabljala kriogeni oksidant - tekoči kisik in visoko vrelo gorivo - etilni alkohol.
Po drugi svetovni vojni je raketno orožje dobilo prednost pri razvoju pred drugimi vrstami orožja zaradi svoje sposobnosti, da dovajajo jedrske naboje do cilja na kateri koli razdalji - od več kilometrov (raketni sistemi) do medcelinskega dosega (balistične rakete). Poleg tega je raketno orožje zaradi pomanjkanja sile odboja pri izstrelitvi streliva z raketnimi motorji znatno izpodrinilo topniško orožje v letalstvu, zračni obrambi, kopenskih silah in mornarici.
Hkrati z balističnim in tekočim raketnim gorivom so se večkomponentna mešana trdna goriva razvila kot najprimernejša za vojaško uporabo zaradi širokega temperaturnega območja delovanja, odpravljanja nevarnosti razlitja komponent, nižjih stroškov raketnih motorjev na trda goriva zaradi odsotnosti cevovodi, ventili in črpalke z večjim potiskom na maso enote.
Glavne značilnosti raketnih goriv
Poleg agregatnega stanja njegovih komponent so za raketna goriva značilni naslednji kazalniki:
- poseben impulz potiska;
- toplotna stabilnost;
- kemična stabilnost;
- biološka strupenost;
- gostota;
- dimljenost.
Specifični potisni potisk raketnih goriv je odvisen od tlaka in temperature v zgorevalni komori motorja ter od molekularne sestave produktov zgorevanja. Poleg tega je specifični impulz odvisen od širitvenega razmerja šobe motorja, vendar je to bolj povezano z zunanjim okoljem raketne tehnologije (zračno ozračje ali vesolje).
Povečan tlak je zagotovljen z uporabo strukturnih materialov z visoko trdnostjo (jeklene zlitine za raketne motorje in organoplastika za trda goriva). V tem pogledu so raketni motorji na tekoče gorivo pred kompaktnimi pogonskimi agregati v primerjavi s karoserijo motorja na trda goriva, ki je ena velika zgorevalna komora.
Visoko temperaturo produktov zgorevanja dosežemo z dodajanjem kovinskega aluminija ali kemične spojine - aluminijevega hidrida v trdno gorivo. Tekoča goriva lahko uporabljajo take dodatke le, če so zgoščena s posebnimi dodatki. Toplotna zaščita raketnih motorjev na tekoče gorivo je zagotovljena s hlajenjem z gorivom, toplotno zaščito trdnih goriv-s trdno pritrditvijo bloka goriva na stene motorja in uporabo vložkov za izgorevanje iz kompozita ogljik-ogljik v kritičnem delu šoba.
Molekularna sestava produktov zgorevanja / razkroja goriva vpliva na pretok in njihovo agregatno stanje na izhodu iz šobe. Manjša je masa molekul, večji je pretok: najprimernejši produkti zgorevanja so molekule vode, sledijo jim dušik, ogljikov dioksid, klorovi oksidi in drugi halogeni; najmanj prednostna je glinica, ki se v šobi motorja kondenzira v trdno snov in s tem zmanjša količino ekspandirajočih plinov. Poleg tega frakcija aluminijevega oksida zaradi abrazivne obrabe najučinkovitejših paraboličnih šob Laval prisili uporabo koničnih šob.
Za vojaška raketna goriva je njihova toplotna stabilnost še posebej pomembna zaradi širokega temperaturnega območja delovanja raketne tehnologije. Zato so kriogena tekoča goriva (kisik + kerozin in kisik + vodik) uporabljali le na začetni stopnji razvoja medcelinskih balističnih izstrelkov (R-7 in Titan), pa tudi za nosilne rakete vesoljskih letal za večkratno uporabo (Space Shuttle in Energia) za izstrelitev satelitov in vesoljskega orožja v nizko zemeljsko orbito.
Trenutno vojska uporablja izključno visoko vrelo tekoče gorivo na osnovi dušikovega tetroksida (AT, oksidant) in asimetričnega dimetilhidrazina (UDMH, gorivo). Toplotna stabilnost tega para goriv je določena z vreliščem AT (+ 21 ° C), ki omejuje uporabo tega goriva pri projektilih v termostatiranih pogojih v raketnih silosih ICBM in SLBM. Zaradi agresivnosti sestavnih delov je bila tehnologija njihove proizvodnje in delovanja raketnih tankov v lasti samo ene države na svetu - ZSSR / RF (ICBM "Voevoda" in "Sarmat", SLBM "Sineva" in " Podloga "). Kot izjema se AT + NDMG uporablja kot gorivo za križarske rakete letal Kh-22 Tempest, vendar se zaradi težav pri delovanju na kopnem načrtuje zamenjava Kh-22 in njihove nove generacije Kh-32 z reaktivnimi motorji Križarjene rakete iz cirkona, ki za gorivo uporabljajo kerozin.
Toplotno stabilnost trdnih goriv v glavnem določajo ustrezne lastnosti topila in polimernega veziva. V sestavi balističnih goriv je topilo nitroglicerin, ki ima v trdni raztopini z nitrocelulozo temperaturno območje delovanja od minus do plus 50 ° C. V mešanih gorivih se kot polimerno vezivo uporabljajo različni sintetični kavčuki z enakim območjem delovnih temperatur. Vendar pa toplotna stabilnost glavnih sestavin trdnih goriv (amonijev dinitramid + 97 ° C, aluminijev hidrid + 105 ° C, nitroceluloza + 160 ° C, amonijev perklorat in HMX + 200 ° C) bistveno presega podobne lastnosti znanih veziv, zato je pomembno iskanje njihovih novih skladb.
Kemično najbolj stabilen par goriva je AT + UDMG, saj je bila zanj razvita edinstvena domača tehnologija ampuliranega skladiščenja v aluminijastih rezervoarjih pod rahlim presežnim tlakom dušika za skoraj neomejen čas. Vsa trdna goriva se sčasoma kemično razgradijo zaradi spontanega razpada polimerov in njihovih tehnoloških topil, po katerem oligomeri vstopijo v kemične reakcije z drugimi, bolj stabilnimi sestavinami goriva. Zato je treba gonilnike na trda goriva redno menjati.
Biološko strupena sestavina raketnih goriv je UDMH, ki vpliva na osrednji živčni sistem, sluznico oči in človeški prebavni trakt ter povzroča raka. V zvezi s tem se delo z UDMH izvaja v izolaciji kemično zaščitnih oblek z uporabo samostojnega dihalnega aparata.
Vrednost gostote goriva neposredno vpliva na maso rezervoarjev za gorivo LPRE in ohišja rakete na trdo gorivo: večja kot je gostota, manjša je parazitska masa rakete. Najnižja gostota para goriv vodik + kisik je 0,34 g / cu. cm, par kerozina + kisik ima gostoto 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1,19 g / cu. cm, nitroceluloza + nitroglicerin - 1,62 g / cu. cm, aluminijev / aluminijev hidrid + perklorat / amonijev dinitramid - 1,7 g / cm3, HMX + amonijev perklorat - 1,9 g / cm3. V tem primeru je treba upoštevati, da je raketni motor s trdim pogonom na osno zgorevanje, gostota naboja goriva približno dvakrat manjša od gostote goriva zaradi zvezdastega dela zgorevalnega kanala, ki se uporablja vzdrževati stalen tlak v zgorevalni komori, ne glede na stopnjo izgorelosti goriva. Enako velja za balistična goriva, ki so oblikovana kot niz pasov ali palic za skrajšanje časa gorenja in razdalje pospeševanja raket in raket. V nasprotju z njimi gostota naboja goriva v raketnih motorjih na trda goriva s končnim zgorevanjem na osnovi HMX sovpada z največjo gostoto, ki je zanj navedena.
Zadnja glavna značilnost raketnih goriv je dim produktov zgorevanja, ki vizualno razkriva let raket in raket. Ta lastnost je značilna za trdna goriva, ki vsebujejo aluminij, katerih oksidi se med ekspanzijo v šobi raketnega motorja kondenzirajo v trdno stanje. Zato se ta goriva uporabljajo v trdnih gorivih balističnih izstrelkov, katerih aktivni del poti je zunaj sovražnikovega vidnega polja. Letalske rakete poganjajo gorivo HMX in amonijev perklorat, rakete, granate in protitankovske rakete - z balističnim gorivom.
Energija raketnih goriv
Za primerjavo energetskih zmogljivosti različnih vrst raketnega goriva je treba zanje določiti primerljive pogoje zgorevanja v obliki tlaka v zgorevalni komori in razteznega razmerja šobe raketnega motorja - na primer 150 atmosfer in 300 -krat širitev. Potem bo za pare / trojke goriva poseben impulz:
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.
Trdno gorivo na osnovi amonijevega dinitramida je domači razvoj poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja, uporabljalo se je kot gorivo za drugo in tretjo stopnjo raket RT-23 UTTKh in R-39 in ga po energijskih značilnostih še niso presegli najboljši vzorci tujega goriva na osnovi amonijevega perklorata, ki se uporablja v projektilih Minuteman-3 in Trident-2. Amonijev dinitramid je eksploziv, ki eksplodira tudi zaradi svetlobnega sevanja, zato se njegova proizvodnja izvaja v prostorih, osvetljenih z rdečimi svetilkami z nizko močjo. Tehnološke težave niso omogočile obvladovanja postopka proizvodnje raketnega goriva na njegovi osnovi nikjer po svetu, razen v ZSSR. Druga stvar je, da se je sovjetska tehnologija rutinsko izvajala le v kemični tovarni Pavlograd, ki se nahaja v Dnepropetrovski regiji Ukrajinske SSR, in je bila izgubljena v devetdesetih letih po pretvorbi obrata za proizvodnjo gospodinjskih kemikalij. Sodeč po taktičnih in tehničnih značilnostih obetavnega orožja tipa RS-26 "Rubezh" je bila tehnologija v Rusiji v letih 2010 obnovljena.
Primer zelo učinkovite sestave je sestava trdnega raketnega goriva iz ruskega patenta št. 2241693 v lasti Zveznega državnega enotnega podjetja Perm Plant im. CM. Kirov :
oksidant - amonijev dinitramid, 58%;
gorivo - aluminijev hidrid, 27%;
mehčalec - nitroizobutiltrinitratglicerin, 11, 25%;
vezivo - polibutadien nitrilna guma, 2, 25%;
trdilec - žveplo, 1,49%;
stabilizator zgorevanja - ultrafini aluminij, 0,01%;
dodatki - saj, lecitin itd.
Možnosti razvoja raketnih goriv
Glavne smeri razvoja tekočih raketnih goriv so (po vrstnem redu izvedbe):
- uporaba prehlajenega kisika za povečanje gostote oksidanta;
- prehod na kisik v pari goriva + metan, katerega gorljiva komponenta ima 15% večjo energijo in 6 -krat boljšo toplotno zmogljivost kot kerozin, ob upoštevanju dejstva, da so aluminijasti rezervoarji utrjeni pri temperaturi tekočega metana;
- dodajanje ozona kisikovi sestavi na ravni 24% za povečanje vrelišča in energije oksidanta (velik del ozona je eksploziven);
- uporaba tiksotropnega (zgoščenega) goriva, katerega sestavni deli vsebujejo suspenzije pentaborana, pentafluorida, kovin ali njihovih hidridov.
Prehlajen kisik se že uporablja v raketi Falcon 9; raketni motorji s kisikom in metanom se razvijajo v Rusiji in ZDA.
Glavna smer pri razvoju trdnih raketnih goriv je prehod na aktivna veziva, ki vsebujejo kisik v svojih molekulah, kar izboljša oksidacijsko ravnovesje trdnih goriv kot celote. Sodoben domači vzorec takega veziva je polimerna sestava "Nika-M", ki vključuje ciklične skupine dinitril dioksida in butilendiol polieteruretana, ki ga je razvil Državni raziskovalni inštitut "Kristall" (Dzerzhinsk).
Druga obetavna smer je širitev obsega rabljenih eksploziva z nitraminom, ki imajo višjo bilanco kisika v primerjavi s HMX (minus 22%). Najprej sta to heksanitroheksaazaisovurtzitan (Cl-20, kisikovo ravnovesje minus 10%) in oktanitrokuban (ničelno kisikovo ravnovesje), katerih možnosti so odvisne od znižanja stroškov njihove proizvodnje-trenutno je Cl-20 veliko dražji kot HMX je oktonitrokuban za red velikosti dražji od Cl -dvajset.
Poleg izboljšanja znanih vrst komponent potekajo tudi raziskave v smeri ustvarjanja polimernih spojin, katerih molekule so sestavljene izključno iz dušikovih atomov, povezanih z enojnimi vezmi. Zaradi razkroja polimerne spojine pod delovanjem segrevanja dušik tvori preproste molekule dveh atomov, povezanih s trojno vezjo. Energija, ki se sprosti v tem primeru, je dvakrat večja od energije nitramin eksploziva. Ruski in nemški znanstveniki so prvič dušikove spojine z diamantno podobno kristalno rešetko leta 2009 pridobili med poskusi na skupni pilotni napravi pod pritiskom 1 milijona atmosfer in temperaturo 1725 ° C. Trenutno poteka delo za doseganje metastabilnega stanja dušikovih polimerov pri običajnem tlaku in temperaturi.
Višji dušikovi oksidi so obetavne kemične spojine, ki vsebujejo kisik. Znani dušikov oksid V (ploščata molekula je sestavljena iz dveh dušikovih atomov in petih atomov kisika) zaradi nizkega tališča (32 ° C) nima praktične vrednosti kot sestavina trdnega goriva. Raziskave v tej smeri se izvajajo z iskanjem metode za sintezo dušikovega oksida VI (tetra-dušikovega heksaoksida), katerega ogrodna molekula ima obliko tetraedra, na katerih ogrodjih so vezani štirje atomi dušika. šest atomov kisika, ki se nahajajo na robovih tetraedra. Popolno zaprtje medatomskih vezi v molekuli dušikovega oksida VI omogoča predvidevanje povečane toplotne stabilnosti, podobno kot pri urotropinu. Ravnotežje kisika dušikovega oksida VI (plus 63%) omogoča znatno povečanje specifične teže tako visokoenergetskih sestavin, kot so kovine, kovinski hidridi, nitramini in ogljikovodikovi polimeri v trdnem raketnem gorivu.
