Raketbränsle innehåller bränsle och oxidationsmedel och behöver, till skillnad från jetbränsle, ingen extern komponent: luft eller vatten. Raketbränslen, enligt deras aggregeringstillstånd, är indelade i flytande, fast och hybrid. Flytande bränslen är uppdelade i kryogen (med kokpunkten för komponenterna under noll grader Celsius) och högkokande (resten). Fasta bränslen består av en kemisk förening, en fast lösning eller en mjukgjord blandning av komponenter. Hybridbränslen består av komponenter i olika aggregerade tillstånd och befinner sig för närvarande i forskningsstadiet.
Historiskt sett var det första raketbränslet svart pulver, en blandning av saltpeter (oxidator), kol (bränsle) och svavel (bindemedel), som först användes i kinesiska raketer under 2 -talet e. Kr. Ammunition med en solid drivmedelsraketmotor (fast drivmedelsraketmotor) användes i militära angelägenheter som brand- och signalmedel.
Efter uppfinningen av rökfritt pulver i slutet av 1800-talet utvecklades ett enkomponent ballistitbränsle på dess bas, bestående av en fast lösning av nitrocellulosa (bränsle) i nitroglycerin (ett oxidationsmedel). Ballistitbränsle har en multipel högre energi jämfört med svart pulver, har hög mekanisk hållfasthet, är välformad, behåller kemisk stabilitet under lagring under lång tid och har ett lågt kostnadspris. Dessa egenskaper förutbestämde den utbredda användningen av ballistiskt bränsle i den mest massiva ammunition utrustad med fasta drivmedel - raketer och granater.
Utvecklingen under den första halvan av 1900-talet av sådana vetenskapliga discipliner som gasdynamik, förbränningsfysik och kemi hos högenergiföreningar gjorde det möjligt att expandera raketbränslens sammansättning genom användning av flytande komponenter. Den första stridsmissilen med en raketmotor med flytande drivmedel (LPRE) "V -2" använde en kryogen oxidator - flytande syre och ett högkokande bränsle - etylalkohol.
Efter andra världskriget fick raketvapen prioritet i utvecklingen framför andra typer av vapen på grund av deras förmåga att leverera kärnkraftsavgifter till ett mål på vilket avstånd som helst - från flera kilometer (raketsystem) till interkontinentalt avstånd (ballistiska missiler). Dessutom har raketvapen kraftigt ersatt artillerivapen inom luftfart, luftvärn, markstyrkor och marinen på grund av bristen på rekylstyrka vid uppskjutning av ammunition med raketmotorer.
Samtidigt med ballistiskt och flytande raketbränsle utvecklades multikomponentblandade fasta drivmedel som de mest lämpliga för militär användning på grund av deras breda temperaturintervall, eliminering av risken för komponentspill, lägre kostnad för fastdrivande raketmotorer på grund av frånvaron av rörledningar, ventiler och pumpar med högre dragkraft per vikt.
De viktigaste egenskaperna hos raketbränslen
Utöver aggregattillståndet för dess komponenter kännetecknas raketbränslen av följande indikatorer:
- specifik dragkraft;
- termisk stabilitet;
- kemisk stabilitet;
- biologisk toxicitet;
- densitet;
- rökighet.
Den specifika dragimpulsen för raketbränslen beror på trycket och temperaturen i motorns förbränningskammare, liksom förbränningsprodukternas molekylära sammansättning. Dessutom beror den specifika impulsen på motorns munstycks expansionsförhållande, men detta är mer relaterat till raketteknikens yttre miljö (luftatmosfär eller yttre rymden).
Ökat tryck tillhandahålls genom användning av konstruktionsmaterial med hög hållfasthet (stållegeringar för raketmotorer och organoplast för fasta drivmedel). I denna aspekt ligger raketmotorer med flytande drivmedel före fasta drivmedel på grund av deras framdrivningsenhets kompaktitet i jämförelse med karossen hos en fastbränslemotor, som är en stor förbränningskammare.
Förbränningsprodukternas höga temperatur uppnås genom att tillsätta metallaluminium eller en kemisk förening - aluminiumhydrid till det fasta bränslet. Flytande bränslen kan endast använda sådana tillsatser om de förtjockas med speciella tillsatser. Termiskt skydd för raketmotorer med flytande drivmedel tillhandahålls genom kylning med bränsle, termiskt skydd för fasta drivmedel-genom att fästa bränsleblocket ordentligt på motorns väggar och använda utbränningsinsatser av kol-kolkomposit i den kritiska delen av munstycket.
Molekylsammansättningen av bränslets förbrännings- / sönderdelningsprodukter påverkar flödeshastigheten och aggregatets tillstånd vid munstycksutgången. Ju lägre molekylernas vikt, desto högre flödeshastighet: de mest föredragna förbränningsprodukterna är vattenmolekyler, följt av kväve, koldioxid, kloroxider och andra halogener; minst föredragen är aluminiumoxid, som kondenserar till ett fast ämne i motorns munstycke och därigenom reducerar volymen av expanderande gaser. Dessutom tvingar aluminiumoxidfraktionen användningen av koniska munstycken på grund av nötningsförslitningen av de mest effektiva paraboliska Laval -munstyckena.
För militära raketbränslen är deras termiska stabilitet av särskild vikt på grund av det breda temperaturområdet för raketteknologisk drift. Därför användes kryogena flytande bränslen (syre + fotogen och syre + väte) endast i det inledande skedet av utvecklingen av interkontinentala ballistiska missiler (R-7 och Titan), liksom för uppskjutningsfordon för återanvändbara rymdfarkoster (rymdfärja och Energia) avsedd för att skjuta upp satelliter och rymdvapen i en jordbana.
För närvarande använder militären uteslutande högkokande flytande bränsle baserat på kvävetetroxid (AT, oxidator) och asymmetrisk dimetylhydrazin (UDMH, bränsle). Termisk stabilitet för detta bränslepar bestäms av kokpunkten för AT (+ 21 ° C), vilket begränsar användningen av detta bränsle för missiler under termostaterade förhållanden i ICBM- och SLBM -missilsilon. På grund av komponenternas aggressivitet ägdes / ägs tekniken för deras produktion och drift av missiltankar endast av ett land i världen - Sovjetunionen / RF (ICBM: er "Voevoda" och "Sarmat", SLBM: er "Sineva" och " Foder "). Som ett undantag används AT + NDMG som bränsle för Kh-22 Tempest-kryssningsmissiler, men på grund av problem med markoperation planeras Kh-22 och deras nästa generation Kh-32 att ersättas med jetdrivna Kryssningsmissiler med zirkon som använder fotogen som bränsle.
Den termiska stabiliteten för fasta bränslen bestäms huvudsakligen av motsvarande egenskaper hos lösningsmedlet och polymerbindemedlet. I sammansättningen av ballistitbränslen är lösningsmedlet nitroglycerin, som i en fast lösning med nitrocellulosa har ett temperaturintervall från minus till plus 50 ° C. I blandade bränslen används olika syntetiska gummi med samma drifttemperaturintervall som ett polymerbindemedel. Den termiska stabiliteten för huvudkomponenterna i fasta bränslen (ammoniumdinitramid + 97 ° C, aluminiumhydrid + 105 ° C, nitrocellulosa + 160 ° C, ammoniumperklorat och HMX + 200 ° C) överstiger emellertid signifikant den liknande egenskapen hos kända bindemedel, och därför är det relevant sökning efter deras nya kompositioner.
Det mest kemiskt stabila bränsleparet är AT + UDMG, eftersom en unik inhemsk teknik för ampuliserad lagring i aluminiumtankar under ett litet överskott av kvävetryck under nästan obegränsad tid har utvecklats för det. Alla fasta bränslen försämras kemiskt över tiden på grund av den spontana sönderdelningen av polymerer och deras tekniska lösningsmedel, varefter oligomerer går in i kemiska reaktioner med andra, mer stabila bränslekomponenter. Därför behöver fasta drivmedelskontroller regelbundet bytas ut.
Den biologiskt giftiga komponenten i raketbränslen är UDMH, som påverkar centrala nervsystemet, ögonens slemhinnor och det mänskliga mag -tarmkanalen och framkallar cancer. I detta avseende utförs arbete med UDMH i isolering av kemiska skyddsdräkter med användning av fristående andningsapparat.
Värdet på bränsletätheten påverkar direkt massan av LPRE -bränsletankarna och den fasta drivraketkroppen: ju högre densitet, desto mindre är raketens parasitmassa. Den lägsta densiteten för bränsleparet väte + syre är 0,34 g / cu. cm, har ett par fotogen + syre en densitet av 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulosa + nitroglycerin - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminiumhydrid + perklorat / ammoniumdinitramid - 1,7 g / cc, HMX + ammoniumperklorat - 1,9 g / cc. I detta fall bör man komma ihåg att den fasta drivmedelsraketmotorn för axiell förbränning, bränsleladdningens densitet är ungefär två gånger mindre än bränslets densitet på grund av den stjärnformade sektionen av förbränningskanalen, som används för att upprätthålla ett konstant tryck i förbränningskammaren, oavsett graden av bränsleförbränning. Detsamma gäller för ballistiska bränslen, som bildas som en uppsättning bälten eller stickor för att förkorta brinntiden och accelerationssträckan för raketer och raketer. I motsats till dem sammanfaller bränsleladdningsdensiteten i fasta drivmedelsraketmotorer för slutförbränning baserad på HMX med den maximala densitet som anges för den.
Den sista av de viktigaste egenskaperna hos raketbränslen är röken från förbränningsprodukter, som visuellt maskerar flygningen av raketer och raketer. Denna egenskap är inneboende i fasta bränslen som innehåller aluminium, vars oxider kondenseras till fast tillstånd under expansion i raketmotorns munstycke. Därför används dessa bränslen i fasta drivmedel för ballistiska missiler, vars aktiva del av banan ligger utanför fiendens siktlinje. Flygplanraketter drivs med HMX- och ammoniumperkloratbränsle, raketer, granater och tankskyddsmissiler - med ballistiskt bränsle.
Energi från raketbränslen
För att jämföra energikapaciteten hos olika typer av raketbränsle är det nödvändigt att ställa in jämförbara förbränningsförhållanden för dem i form av tryck i förbränningskammaren och expansionsförhållandet för raketmunstycket - till exempel 150 atmosfärer och 300 gånger expansion. Sedan, för bränslepar / trillingar, kommer den specifika impulsen att vara:
syre + väte - 4,4 km / s;
syre + fotogen - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammoniumdinitramid + vätehydrid + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperklorat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperklorat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulosa + nitroglycerin - 2,5 km / s.
Fast bränsle baserat på ammoniumdinitramid är en inhemsk utveckling i slutet av 1980-talet, det användes som bränsle för andra och tredje etappen av RT-23 UTTKh- och R-39-missiler och har ännu inte överträffats i energikarakteristik av de bästa proverna av främmande bränsle baserat på ammoniumperklorat. används i Minuteman-3 och Trident-2-missilerna. Ammoniumdinitramid är ett sprängämne som detonerar även från ljusstrålning; därför utförs produktionen i rum upplysta av röda lampor med låg effekt. Tekniska svårigheter gjorde det inte möjligt att behärska processen att tillverka raketbränsle på dess bas någonstans i världen, förutom i Sovjetunionen. En annan sak är att den sovjetiska tekniken rutinmässigt endast implementerades på kemikraftverket Pavlograd, som ligger i Dnepropetrovsk -regionen i den ukrainska SSR, och förlorades på 1990 -talet efter att anläggningen konverterades till att producera hushållskemikalier. Men att döma av de taktiska och tekniska egenskaperna hos lovande vapen av typen RS-26 "Rubezh", återställdes tekniken i Ryssland under 2010-talet.
Ett exempel på en mycket effektiv sammansättning är sammansättningen av fast raketbränsle från ryskt patent nr 2241693, som ägs av Federal State Unitary Enterprise Perm Plant uppkallat efter CENTIMETER. Kirov :
oxidationsmedel - ammoniumdinitramid, 58%;
bränsle - aluminiumhydrid, 27%;
mjukgörare - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
bindemedel - polybutadien nitrilgummi, 2, 25%;
härdare - svavel, 1,49%;
förbränningsstabilisator - ultrafint aluminium, 0,01%;
tillsatser - kimrök, lecitin etc.
Utsikter för utveckling av raketbränslen
De viktigaste riktningarna för utvecklingen av flytande raketbränslen är (i prioritetsordning för genomförandet):
- användning av underkyld syre för att öka densiteten hos oxidationsmedlet;
- övergång till en bränsleånga syre + metan, vars brännbara komponent har 15% högre energi och 6 gånger bättre värmekapacitet än fotogen, med hänsyn tagen till att aluminiumtankar härdas vid temperaturen av flytande metan;
- tillsats av ozon till syrekompositionen vid en nivå på 24% för att öka kokpunkten och energin för oxidationsmedlet (en stor andel ozon är explosiv);
- användning av tixotropiskt (förtjockat) bränsle, vars komponenter innehåller suspensioner av pentaboran, pentafluorid, metaller eller deras hydrider.
Superkyldt syre används redan i Falcon 9-lanseringsfordonet; raketmotorer med syre + metan drivs i Ryssland och USA.
Huvudriktningen för utvecklingen av fasta raketbränslen är övergången till aktiva bindemedel som innehåller syre i deras molekyler, vilket förbättrar oxidationsbalansen för fasta drivmedel som helhet. Ett modernt inhemskt prov av ett sådant bindemedel är polymersammansättningen "Nika-M", som inkluderar cykliska grupper av dinitrildioxid och butylendiolpolyeteruretan, utvecklat av Statens forskningsinstitut "Kristall" (Dzerzhinsk).
En annan lovande riktning är utökningen av utbudet av använda nitraminsprängämnen, som har en högre syrebalans jämfört med HMX (minus 22%). Först och främst är dessa hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, syrebalans minus 10%) och oktanitrokuban (noll syrebalans), vars utsikter beror på att minska produktionskostnaderna-för närvarande är Cl-20 en storleksordning dyrare än HMX är oktonitrokuban en storleksordning dyrare än Cl -tjugo.
Förutom att förbättra de kända komponenttyperna forskas det också i riktning mot att skapa polymerföreningar, vars molekyler uteslutande består av kväveatomer som är anslutna med enkelbindningar. Som ett resultat av sönderdelningen av en polymerförening under uppvärmning, bildar kväve enkla molekyler av två atomer som är förbundna med en trippelbindning. Den energi som frigörs i detta fall är dubbelt så mycket energi som nitraminsprängämnen. För första gången erhölls kväveföreningar med ett diamantliknande kristallgitter av ryska och tyska forskare 2009 under experiment på en gemensam pilotanläggning under inverkan av ett tryck på 1 miljon atmosfärer och en temperatur på 1725 ° C. För närvarande pågår ett arbete för att uppnå metastabilt tillstånd av kvävepolymerer vid vanligt tryck och temperatur.
Högre kväveoxider är lovande syrehaltiga kemiska föreningar. Den välkända kväveoxiden V (vars platta molekyl består av två kväveatomer och fem syreatomer) har inget praktiskt värde som komponent i fast bränsle på grund av dess låga smältpunkt (32 ° C). Undersökningar i denna riktning utförs genom att söka efter en metod för syntes av kväveoxid VI (tetra-kvävehexaoxid), vars rammolekyl har formen av en tetraeder, vid vars hörn det finns fyra kväveatomer bundna till sex syreatomer placerade på kanterna av tetraeder. Den fullständiga tillslutningen av interatomiska bindningar i kväveoxidmolekylen gör det möjligt att förutsäga ökad termisk stabilitet, liknande den för urotropin. Syrebalansen i kväveoxid VI (plus 63%) gör det möjligt att avsevärt öka den specifika vikten hos sådana högenergikomponenter som metaller, metallhydrider, nitraminer och kolvätepolymerer i det fasta raketbränslet.
