Combustibilul pentru rachete conține combustibil și oxidant și, spre deosebire de combustibilul pentru avioane, nu are nevoie de o componentă externă: aer sau apă. Combustibilii pentru rachete, în funcție de starea lor de agregare, sunt împărțiți în lichid, solid și hibrid. Combustibilii lichizi sunt împărțiți în criogenici (cu punctul de fierbere al componentelor sub zero grade Celsius) și cu fierbere ridicată (restul). Combustibilii solizi constau dintr-un compus chimic, o soluție solidă sau un amestec plastificat de componente. Combustibilii hibrizi constau din componente în diferite stări agregate și sunt în prezent în stadiul de cercetare.
Din punct de vedere istoric, primul combustibil pentru rachete a fost pulberea neagră, un amestec de săpăr (oxidant), cărbune (combustibil) și sulf (liant), care a fost folosit pentru prima dată în rachetele chinezești în secolul al II-lea d. Hr. Muniția cu un motor de rachetă cu propulsor solid (motor cu rachetă cu propulsor solid) a fost utilizată în afacerile militare ca mijloc incendiar și de semnalizare.
După inventarea pulberii fără fum la sfârșitul secolului al XIX-lea, pe baza sa a fost dezvoltat un combustibil balistit monocomponent, constând dintr-o soluție solidă de nitroceluloză (combustibil) în nitroglicerină (un agent oxidant). Combustibilul balistit are un multiplu de energie mai mare în comparație cu pulberea neagră, are o rezistență mecanică ridicată, este bine format, păstrează stabilitatea chimică pentru o lungă perioadă de timp în timpul depozitării și are un preț scăzut. Aceste calități au predeterminat utilizarea pe scară largă a combustibilului balistic în cea mai masivă muniție echipată cu propulsori solizi - rachete și grenade.
Dezvoltarea în prima jumătate a secolului al XX-lea a unor discipline științifice precum dinamica gazelor, fizica combustiei și chimia compușilor cu energie ridicată a făcut posibilă extinderea compoziției combustibililor pentru rachete prin utilizarea componentelor lichide. Prima rachetă de luptă cu un motor rachetă cu propulsor lichid (LPRE) "V-2" a folosit un oxidant criogen - oxigen lichid și un combustibil cu fierbere ridicată - alcool etilic.
După cel de-al doilea război mondial, armele rachete au primit o prioritate în dezvoltare față de alte tipuri de arme datorită capacității lor de a livra sarcini nucleare către o țintă la orice distanță - de la câțiva kilometri (sisteme de rachete) până la raza intercontinentală (rachete balistice). În plus, armele cu rachete au înlocuit în mod semnificativ armele de artilerie din aviație, apărare aeriană, forțele terestre și marina din cauza lipsei forței de recul la lansarea muniției cu motoare cu rachetă.
Concomitent cu combustibilul balistic și lichid pentru rachete, combustibilii solizi amestecați multicomponenți s-au dezvoltat ca fiind cei mai adecvați pentru utilizarea militară datorită gamei largi de temperatură de funcționare, eliminării pericolului de deversare a componentelor, costului redus al motoarelor rachete cu combustibil solid datorită absenței conducte, supape și pompe cu forță mai mare pe unitate de greutate.
Principalele caracteristici ale combustibililor pentru rachete
Pe lângă starea de agregare a componentelor sale, combustibilii pentru rachete se caracterizează prin următorii indicatori:
- impulsul specific de împingere;
- stabilitate termică;
- stabilitate chimică;
- toxicitate biologică;
- densitate;
- fum.
Impulsul specific de forță al combustibililor pentru rachete depinde de presiunea și temperatura din camera de ardere a motorului, precum și de compoziția moleculară a produselor de ardere. În plus, impulsul specific depinde de raportul de expansiune al duzei motorului, dar acest lucru este mai mult legat de mediul extern al tehnologiei rachete (atmosfera aerului sau spațiul cosmic).
Creșterea presiunii este asigurată prin utilizarea de materiale structurale cu rezistență ridicată (aliaje de oțel pentru motoare cu rachete și organoplastice pentru propulsori solizi). În acest aspect, motoarele cu rachetă cu propulsie lichidă sunt înaintea propulsorilor solizi datorită compactității unității lor de propulsie în comparație cu corpul unui motor cu combustibil solid, care este o cameră mare de ardere.
Temperatura ridicată a produselor de ardere este obținută prin adăugarea metalului aluminiu sau a unui compus chimic - hidrură de aluminiu la combustibilul solid. Combustibilii lichizi pot utiliza astfel de aditivi numai dacă sunt îngroșați cu aditivi speciali. Protecția termică a motoarelor rachete cu propulsie lichidă este asigurată prin răcirea cu combustibil, protecția termică a propulsorilor solizi - prin atașarea fermă a blocului de combustibil la pereții motorului și utilizarea inserțiilor de ardere din compozit carbon-carbon în secțiunea critică a duza.
Compoziția moleculară a produselor de combustie / descompunere a combustibilului afectează debitul și starea lor de agregare la ieșirea duzei. Cu cât greutatea moleculelor este mai mică, cu atât debitul este mai mare: cele mai preferate produse de ardere sunt moleculele de apă, urmate de azot, dioxid de carbon, oxizi de clor și alți halogeni; cel mai puțin preferat este alumina, care se condensează la un solid în duza motorului, reducând astfel volumul de gaze în expansiune. În plus, fracția de oxid de aluminiu forțează utilizarea duzelor conice datorită uzurii abrazive a celor mai eficiente duze Laval parabolice.
Pentru combustibilii militari pentru rachete, stabilitatea lor termică are o importanță deosebită datorită gamei largi de temperatură a funcționării tehnologiei rachetelor. Prin urmare, combustibilii lichizi criogeni (oxigen + kerosen și oxigen + hidrogen) au fost folosiți doar în etapa inițială a dezvoltării rachetelor balistice intercontinentale (R-7 și Titan), precum și pentru vehiculele de lansare a vehiculelor spațiale refolosibile (Space Shuttle și Energia) destinat lansării sateliților și armelor spațiale pe orbita pământului.
În prezent, armata folosește exclusiv combustibil lichid cu fierbere ridicată pe bază de tetroxid de azot (AT, oxidant) și dimetilhidrazină asimetrică (UDMH, combustibil). Stabilitatea termică a acestei perechi de combustibil este determinată de punctul de fierbere al AT (+ 21 ° C), care limitează utilizarea acestui combustibil de către rachete în condiții termostatate în silozurile de rachete ICBM și SLBM. Datorită agresivității componentelor, tehnologia producției și funcționării lor a tancurilor de rachete a fost / este deținută de o singură țară din lume - URSS / RF (ICBM-urile „Voevoda” și „Sarmat”, SLBM-urile „Sineva” și „ Liner ). Ca o excepție, AT + NDMG este utilizat ca combustibil pentru rachetele de croazieră Kh-22 Tempest, dar din cauza problemelor de funcționare la sol, Kh-22 și următoarea lor generație Kh-32 sunt planificate să fie înlocuite cu jet-powered Rachete de croazieră Zircon folosind kerosen ca combustibil.
Stabilitatea termică a combustibililor solizi este determinată în principal de proprietățile corespunzătoare ale solventului și liantului polimeric. În compoziția combustibililor balistitici, solventul este nitroglicerina, care într-o soluție solidă cu nitroceluloză are un interval de temperatură de funcționare de la minus la plus 50 ° C. În combustibilii mixți, cauciucuri sintetice diferite cu același interval de temperatură de funcționare sunt utilizate ca liant polimeric. Cu toate acestea, stabilitatea termică a principalelor componente ale combustibililor solizi (dinitramidă de amoniu + 97 ° C, hidrură de aluminiu + 105 ° C, nitroceluloză + 160 ° C, perclorat de amoniu și HMX + 200 ° C) depășește semnificativ proprietatea similară a lianților cunoscuți, și, prin urmare, este o căutare relevantă pentru noile lor compoziții.
Cea mai stabilă pereche de combustibil chimic este AT + UDMG, deoarece o tehnologie internă unică de stocare ampulizată în rezervoare de aluminiu sub o presiune ușoară în exces de azot pentru un timp aproape nelimitat a fost dezvoltată pentru aceasta. Toți combustibilii solizi se degradează chimic în timp datorită descompunerii spontane a polimerilor și a solvenților lor tehnologici, după care oligomerii intră în reacții chimice cu alte componente ale combustibilului mai stabile. Prin urmare, verificatorii cu combustibil solid necesită înlocuire regulată.
Componenta biologic toxică a combustibililor pentru rachete este UDMH, care afectează sistemul nervos central, membranele mucoase ale ochilor și ale tractului digestiv uman și provoacă cancer. În acest sens, lucrul cu UDMH se desfășoară în izolarea costumelor de protecție chimică prin utilizarea aparatelor de respirație autonome.
Valoarea densității combustibilului afectează direct masa rezervoarelor de combustibil LPRE și corpul rachetei cu combustibil solid: cu cât densitatea este mai mare, cu atât este mai mică masa parazită a rachetei. Cea mai mică densitate a perechii combustibil hidrogen + oxigen este de 0,34 g / cu. cm, o pereche de kerosen + oxigen are o densitate de 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitroceluloză + nitroglicerină - 1,62 g / cu. cm, aluminiu / hidrură de aluminiu + perclorat / dinitramid de amoniu - 1,7 g / cc, HMX + perclorat de amoniu - 1,9 g / cc. În acest caz, trebuie avut în vedere faptul că motorul rachetă cu combustibil solid de combustie axială, densitatea încărcăturii de combustibil este de aproximativ două ori mai mică decât densitatea combustibilului datorită secțiunii în formă de stea a canalului de combustie, utilizată pentru a menține o presiune constantă în camera de ardere, indiferent de gradul de ardere a combustibilului. Același lucru este valabil și pentru combustibilii balistici, care sunt formați ca un set de curele sau bastoane pentru a scurta timpul de ardere și distanța de accelerație a rachetelor și rachetelor. Spre deosebire de acestea, densitatea încărcăturii de combustibil în motoarele cu rachete cu combustibil solid bazate pe HMX coincide cu densitatea maximă indicată pentru aceasta.
Ultima dintre principalele caracteristici ale combustibililor pentru rachete este fumul produselor de ardere, demascând vizual zborul rachetelor și rachetelor. Această caracteristică este inerentă combustibililor solizi care conțin aluminiu, ai căror oxizi sunt condensați la o stare solidă în timpul expansiunii în duza motorului rachetă. Prin urmare, acești combustibili sunt utilizați în propulsori solizi ai rachetelor balistice, a căror secțiune activă a traiectoriei este în afara liniei de vedere a inamicului. Rachetele pentru aeronave sunt alimentate cu combustibil HMX și perclorat de amoniu, rachete, grenade și rachete antitanc - cu combustibil balistic.
Energia combustibililor pentru rachete
Pentru a compara capacitățile energetice ale diferitelor tipuri de combustibil pentru rachete, este necesar să se stabilească condiții de ardere comparabile pentru acestea sub formă de presiune în camera de ardere și raportul de expansiune al duzei motorului de rachetă - de exemplu, 150 de atmosfere și 300 de ori expansiune. Apoi, pentru perechile / tripletele de combustibil, impulsul specific va fi:
oxigen + hidrogen - 4,4 km / s;
oxigen + kerosen - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramid de amoniu + hidrură de hidrogen + HMX - 3,2 km / s;
perclorat de amoniu + aluminiu + HMX - 3,1 km / s;
perclorat de amoniu + HMX - 2,9 km / s;
nitroceluloză + nitroglicerină - 2,5 km / s.
Combustibilul solid pe bază de dinitramidă de amoniu este o dezvoltare internă de la sfârșitul anilor 1980, a fost folosit ca combustibil pentru a doua și a treia etapă a rachetelor RT-23 UTTKh și R-39 și nu a fost încă depășit în caracteristicile energetice de cele mai bune probe de combustibil străin pe bază de perclorat de amoniu.utilizat în rachetele Minuteman-3 și Trident-2. Dinitramida de amoniu este un exploziv care detonează chiar și de radiația luminii; prin urmare, producția sa se realizează în încăperi iluminate de lămpi roșii de mică putere. Dificultățile tehnologice nu au permis stăpânirea procesului de fabricare a combustibilului pentru rachete pe baza sa oriunde în lume, cu excepția URSS. Un alt lucru este că tehnologia sovietică a fost implementată în mod obișnuit doar la uzina chimică Pavlograd, situată în regiunea Dnepropetrovsk din RSS Ucraineană și a fost pierdută în anii 1990, după ce uzina a fost transformată pentru a produce produse chimice de uz casnic. Cu toate acestea, judecând după caracteristicile tactice și tehnice ale armelor promițătoare de tip RS-26 „Rubezh”, tehnologia a fost restaurată în Rusia în anii 2010.
Un exemplu de compoziție extrem de eficientă este compoziția combustibilului pentru rachete solide din brevetul rus nr. CM. Kirov :
agent oxidant - dinitramidă de amoniu, 58%;
combustibil - hidrură de aluminiu, 27%;
plastifiant - nitroizobutiltrinitrateglicerină, 11, 25%;
liant - cauciuc nitrilic polibutadienic, 2, 25%;
întăritor - sulf, 1,49%;
stabilizator de ardere - aluminiu ultrafin, 0,01%;
aditivi - negru de fum, lecitină etc.
Perspective pentru dezvoltarea combustibililor pentru rachete
Principalele direcții pentru dezvoltarea combustibililor lichizi pentru rachete sunt (în ordinea priorității de implementare):
- utilizarea oxigenului supraîncălzit pentru a crește densitatea oxidantului;
- trecerea la un vapor de combustibil oxigen + metan, a cărui componentă combustibilă are o energie cu 15% mai mare și o capacitate termică de 6 ori mai bună decât kerosenul, ținând cont de faptul că rezervoarele de aluminiu sunt întărite la temperatura metanului lichid;
- adăugarea ozonului în compoziția oxigenului la nivelul de 24% pentru a crește punctul de fierbere și energia oxidantului (o proporție mare de ozon este explozivă);
- utilizarea combustibilului tixotrop (îngroșat), ale cărui componente conțin suspensii de pentaboran, pentafluorură, metale sau hidrurile acestora.
În vehiculul de lansare Falcon 9 se folosește deja oxigen supraîncălzit; în Rusia și Statele Unite se dezvoltă motoare rachete cu oxigen + metan.
Direcția principală în dezvoltarea combustibililor solizi pentru rachete este trecerea la lianți activi care conțin oxigen în moleculele lor, ceea ce îmbunătățește echilibrul de oxidare al combustibililor solizi în ansamblu. O probă internă modernă a unui astfel de liant este compoziția polimerică „Nika-M”, care include grupări ciclice de dioxid de dinitril și polieteretan butilenediol, dezvoltată de Institutul de Cercetare de Stat „Kristall” (Dzerzhinsk).
O altă direcție promițătoare este extinderea gamei de explozivi nitraminici folosiți, care au un echilibru mai mare de oxigen în comparație cu HMX (minus 22%). În primul rând, aceștia sunt hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, echilibru oxigen minus 10%) și octanitrocuban (echilibru zero oxigen), perspectivele cărora depind de reducerea costului producției lor - în prezent, Cl-20 este un ordin de mărime mai scump decât HMX, octonitrocubanul este un ordin de mărime mai scump decât Cl-douăzeci.
Pe lângă îmbunătățirea tipurilor cunoscute de componente, cercetările sunt efectuate și în direcția creării compușilor polimerici, ale căror molecule constau exclusiv din atomi de azot conectați prin legături simple. Ca urmare a descompunerii unui compus polimeric sub acțiunea de încălzire, azotul formează molecule simple de doi atomi conectați printr-o legătură triplă. Energia eliberată în acest caz este de două ori mai mare decât energia explozibililor nitraminici. Pentru prima dată, compușii de azot cu rețea cristalină asemănătoare diamantului au fost obținuți de oamenii de știință ruși și germani în 2009 în timpul experimentelor pe o instalație pilot comună sub acțiunea unei presiuni de 1 milion de atmosfere și a unei temperaturi de 1725 ° C. În prezent, se lucrează pentru realizarea stării metastabile a polimerilor de azot la presiune și temperatură obișnuite.
Oxizii de azot mai mari sunt compuși chimici care conțin oxigen. Cunoscutul oxid nitric V (a cărui moleculă plană constă din doi atomi de azot și cinci atomi de oxigen) nu are nicio valoare practică ca component al combustibilului solid datorită punctului său de topire scăzut (32 ° C). Investigațiile în această direcție sunt efectuate prin căutarea unei metode de sinteză a oxidului nitric VI (hexaoxid de tetra-azot), a cărui moleculă cadru are forma unui tetraedru, la vârfurile căruia există patru atomi de azot legați de șase atomi de oxigen situate pe marginile tetraedrului. Închiderea completă a legăturilor interatomice din molecula de oxid nitric VI face posibilă prezicerea unei creșteri a stabilității termice, similară cu cea a urotropinei. Bilanțul de oxigen al oxidului nitric VI (plus 63%) face posibilă creșterea semnificativă a greutății specifice a unor componente cu energie ridicată precum metale, hidruri metalice, nitramine și polimeri de hidrocarburi din combustibilul solid pentru rachete.
