A rakétaüzemanyag üzemanyagot és oxidálószert tartalmaz, és a sugárhajtóművel ellentétben nem igényel külső komponenst: levegőt vagy vizet. A rakétaüzemanyagokat aggregációs állapotuk szerint folyékony, szilárd és hibrid üzemekre osztják. A folyékony tüzelőanyagokat kriogénre (az összetevők forráspontja nulla Celsius fok alatt) és magas forráspontú (a többire) osztják. A szilárd tüzelőanyagok kémiai vegyületből, szilárd oldatból vagy lágyított összetevők keverékéből állnak. A hibrid üzemanyagok különböző aggregált állapotú komponensekből állnak, és jelenleg a kutatási szakaszban vannak.
Történelmileg az első rakétaüzemanyag fekete por volt, sópeter (oxidálószer), szén (üzemanyag) és kén (kötőanyag) keveréke, amelyet először a kínai rakétákban használtak a Kr. U. A szilárd hajtóanyagú rakéta hajtóművel (szilárd hajtóanyagú rakéta hajtóművel) ellátott lőszert a katonai ügyekben gyújtó- és jelzőeszközként használták.
A füstmentes por feltalálása után a 19. század végén egykomponensű ballisztikus tüzelőanyagot fejlesztettek ki, amely nitro-cellulóz (üzemanyag) nitroglicerinben (oxidálószerben) lévő szilárd oldatából állt. A ballisztit üzemanyag többszörös energiával rendelkezik a fekete porhoz képest, nagy mechanikai szilárdságú, jól formázott, hosszú ideig megőrzi kémiai stabilitását a tárolás során, és alacsony költségű. Ezek a tulajdonságok előre meghatározták a ballisztikus üzemanyag széles körű használatát a szilárd hajtóanyagokkal - rakétákkal és gránátokkal - felszerelt legnagyobb tömegű lőszerekben.
A huszadik század első felében az olyan tudományos tudományágak, mint a gázdinamika, az égésfizika és a nagy energiájú vegyületek kémiai fejlődése lehetővé tette a rakétaüzemanyagok összetételének bővítését folyékony komponensek használatával. Az első harci rakéta folyékony hajtóanyagú rakétamotorral (LPRE) "V -2" kriogén oxidálószert - folyékony oxigént és magas forráspontú tüzelőanyagot - etil -alkoholt használt.
A második világháború után a rakétafegyverek elsőbbséget élveztek a fejlesztésben, mint más típusú fegyverek, mivel képesek nukleáris töltéseket szállítani egy célpontra bármilyen távolságra - több kilométertől (rakétarendszerek) az interkontinentális tartományig (ballisztikus rakéták). Ezenkívül a rakétafegyverek jelentősen kiszorították a tüzérségi fegyvereket a légi közlekedésben, a légvédelemben, a szárazföldi erőkben és a haditengerészetben, mivel a lövedékek rakétahajtóművel történő indításakor nincs visszahúzó erő.
A ballisztikus és folyékony rakéta-tüzelőanyaggal egyidejűleg a többkomponensű vegyes szilárd hajtóanyagokat fejlesztették ki a legmegfelelőbbnek katonai felhasználásra széles működési hőmérséklettartományuk miatt, az alkatrészek kiömlésének veszélyének kiküszöbölése, a szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművek alacsonyabb költségei miatt. csővezetékek, szelepek és szivattyúk, amelyek tömegegysége nagyobb.
A rakétaüzemanyagok fő jellemzői
Az alkatrészek aggregációs állapotán kívül a rakétaüzemanyagokat a következő mutatók jellemzik:
- sajátos tolóerő impulzus;
- hőstabilitás;
- kémiai stabilitás;
- biológiai toxicitás;
- sűrűség;
- füstölgés.
A rakétaüzemanyagok specifikus tolóerő -impulzusa a motor égéskamrájának nyomásától és hőmérsékletétől, valamint az égéstermékek molekuláris összetételétől függ. Ezenkívül a fajlagos impulzus a motorfúvóka tágulási arányától függ, de ez inkább a rakétatechnika külső környezetével (légkör vagy világűr) függ össze.
A megnövelt nyomást nagy szilárdságú szerkezeti anyagok (acélötvözetek rakétahajtóművekhez és organikus műanyagok szilárd hajtóanyagokhoz) használata biztosítja. Ebből a szempontból a folyékony hajtóanyagú rakétamotorok megelőzik a szilárd hajtóanyagokat, ha meghajtóegységük tömörebb, mint a szilárd tüzelőanyaggal működő motor, amely egy nagy égéstér.
Az égéstermékek magas hőmérsékletét úgy érik el, hogy fém szilárd alumíniumot vagy kémiai vegyületet - alumínium -hidridet - adnak a szilárd tüzelőanyaghoz. A folyékony üzemanyagok csak akkor használhatnak ilyen adalékanyagokat, ha speciális adalékokkal sűrítették őket. A folyékony hajtóanyagú rakétamotorok hővédelmét az üzemanyaggal történő hűtés, a szilárd hajtóanyagok hővédelme biztosítja-az üzemanyagblokk szilárd rögzítésével a motor falaihoz, valamint a szén-szén kompozitból készült kiégett betétek használatát. a fúvóka.
Az üzemanyag égés / bomlástermékeinek molekuláris összetétele befolyásolja az áramlási sebességet és aggregációs állapotukat a fúvóka kilépésénél. Minél kisebb a molekulák tömege, annál nagyobb az áramlási sebesség: a legelőnyösebb égéstermékek a vízmolekulák, majd a nitrogén, a szén -dioxid, a klór -oxidok és más halogének; legkevésbé előnyös az alumínium -oxid, amely szilárd anyaggá kondenzálódik a motor fúvókájában, ezáltal csökkenti a táguló gázok térfogatát. Ezenkívül az alumínium -oxid frakció kúpos fúvókák használatát kényszeríti a leghatékonyabb parabolikus Laval fúvókák koptató kopása miatt.
A katonai rakétaüzemanyagok esetében termikus stabilitásuk különösen fontos a rakéta -technológia széles hőmérsékleti tartománya miatt. Ezért a kriogén folyékony tüzelőanyagokat (oxigén + kerozin és oxigén + hidrogén) csak az interkontinentális ballisztikus rakéták (R-7 és Titan) kifejlesztésének kezdeti szakaszában, valamint újrafelhasználható űrjárművek hordozórakétáihoz használták (Space Shuttle és Energia), amely műholdak és űrfegyverek kisföldi pályára történő felbocsátására szolgál.
Jelenleg a katonaság kizárólag magas forráspontú folyékony üzemanyagot használ, amely nitrogén-tetroxidon (AT, oxidálószer) és aszimmetrikus dimetil-hidrazinon (UDMH, üzemanyag) alapul. Ennek az üzemanyagpárnak a termikus stabilitását az AT forráspontja (+ 21 ° C) határozza meg, ami korlátozza ennek az üzemanyagnak a rakéták általi használatát ICBM és SLBM rakéta silókban termosztált körülmények között. Az alkatrészek agresszivitása miatt a rakétatankok gyártásának és működtetésének technológiája a világ egyetlen országának tulajdonában van / van - a Szovjetunió / RF (ICBM "Voevoda" és "Sarmat", SLBM "Sineva" és " Bélés "). Kivételként az AT + NDMG-t üzemanyagként használják a Kh-22 Tempest repülőgép cirkáló rakétákhoz, de a földi működés problémái miatt a Kh-22-t és a következő generációs Kh-32-t a tervek szerint sugárhajtásúra cserélik. Cirkon cirkáló rakéták, amelyek kerozint használnak üzemanyagként.
A szilárd tüzelőanyagok termikus stabilitását elsősorban az oldószer és a polimer kötőanyag megfelelő tulajdonságai határozzák meg. A ballisztikus tüzelőanyagok összetételében az oldószer a nitroglicerin, amely nitrocellulózos szilárd oldatban mínusz és plusz 50 ° C közötti hőmérséklettartománnyal rendelkezik. Vegyes tüzelőanyagokban polimer kötőanyagként különböző szintetikus gumit használnak, azonos üzemi hőmérséklet -tartományban. A szilárd tüzelőanyagok fő összetevőinek (ammónium -dinitramid + 97 ° C, alumínium -hidrid + 105 ° C, nitrocellulóz + 160 ° C, ammónium -perklorát és HMX + 200 ° C) termikus stabilitása azonban jelentősen meghaladja az ismert kötőanyagok hasonló tulajdonságait, és ezért releváns az új szerzemények keresése.
A kémiailag legstabilabb üzemanyag -pár az AT + UDMG, mivel egyedülálló hazai technológiát fejlesztettek ki, amellyel alumíniumtartályokban, szinte enyhe nitrogénnyomás alatt, szinte korlátlan ideig ampulláztak. Minden szilárd tüzelőanyag kémiailag lebomlik az idő múlásával a polimerek és technológiai oldószereik spontán bomlása miatt, majd az oligomerek kémiai reakcióba lépnek más, stabilabb üzemanyag -összetevőkkel. Ezért a szilárd hajtóanyag -ellenőrzőket rendszeresen cserélni kell.
A rakétaüzemanyagok biológiailag mérgező összetevője az UDMH, amely befolyásolja a központi idegrendszert, a szem nyálkahártyáját és az emberi emésztőrendszert, és rákot okoz. Ebben a tekintetben az UDMH-val végzett munkát izoláló vegyi védőruhákban végzik, önálló légzőkészülék használatával.
Az üzemanyag -sűrűség értéke közvetlenül befolyásolja az LPRE üzemanyagtartályok tömegét és a szilárd hajtóanyagú rakétatestet: minél nagyobb a sűrűség, annál kisebb a rakéta parazita tömege. A hidrogén + oxigén üzemanyagpár legalacsonyabb sűrűsége 0,34 g / cu. cm, egy pár kerozin + oxigén sűrűsége 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulóz + nitroglicerin - 1,62 g / cu. cm, alumínium / alumínium -hidrid + perklorát / ammónium -dinitramid - 1,7 g / cm3, HMX + ammónium -perklorát - 1,9 g / cm3. Ebben az esetben szem előtt kell tartani, hogy az axiális égésű szilárd hajtóanyagú rakéta hajtóműve, az üzemanyag-töltés sűrűsége körülbelül kétszer kisebb, mint az üzemanyag sűrűsége az égési csatorna csillag alakú szakasza miatt. állandó nyomás fenntartása az égéstérben, függetlenül az üzemanyag -kiégés mértékétől. Ugyanez vonatkozik a ballisztikus üzemanyagokra is, amelyeket szíjak vagy botok készleteként alakítanak ki, hogy lerövidítsék a rakéták és rakéták égési idejét és gyorsulási távolságát. Velük ellentétben a HMX alapú végső égésű szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművek üzemanyagtöltetének sűrűsége egybeesik a számára megadott maximális sűrűséggel.
A rakétaüzemanyagok utolsó fő jellemzője az égéstermékek füstje, vizuálisan leleplezve a rakéták és rakéták repülését. Ez a tulajdonság az alumíniumot tartalmazó szilárd tüzelőanyagokban rejlik, amelyek oxidjai szilárd állapotba kondenzálódnak a rakétahajtómű fúvókájában való expanzió során. Ezért ezeket az üzemanyagokat ballisztikus rakéták szilárd hajtóanyagában használják, amelyek pályájának aktív szakasza kívül esik az ellenség látóterén. A repülőgépek rakétáit HMX és ammónium -perklorát üzemanyag, rakéták, gránátok és páncéltörő rakéták táplálják - ballisztikus üzemanyaggal.
Rakétaüzemanyagok energiája
A különböző típusú rakéta -üzemanyagok energiahatékonyságának összehasonlításához összehasonlítható égési feltételeket kell beállítani számukra az égéstérben lévő nyomás és a rakétahajtómű fúvóka tágulási aránya formájában - például 150 atmoszféra és 300 -szoros terjeszkedés. Ezután az üzemanyagpárok / hármasok esetében a specifikus impulzus a következő lesz:
oxigén + hidrogén - 4,4 km / s;
oxigén + kerozin - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammónium -dinitramid + hidrogén -hidrid + HMX - 3,2 km / s;
ammónium -perklorát + alumínium + HMX - 3,1 km / s;
ammónium -perklorát + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulóz + nitroglicerin - 2,5 km / s.
Az ammónium-dinitramidon alapuló szilárd tüzelőanyag a nyolcvanas évek végén hazai fejlesztésnek számított, üzemanyagként használták az RT-23 UTTKh és R-39 rakéták második és harmadik szakaszában, és a legjobb minták még nem haladták meg az energia jellemzőit. ammónium-perkloráton alapuló idegen tüzelőanyag, amelyet a Minuteman-3 és a Trident-2 rakétákban használnak. Az ammónium-dinitramid robbanóanyag, amely még a fénysugárzástól is felrobban, ezért előállítását kis teljesítményű, piros lámpákkal megvilágított helyiségekben végzik. A technológiai nehézségek nem tették lehetővé a rakétaüzemanyag -alapú gyártási folyamat elsajátítását bárhol a világon, kivéve a Szovjetuniót. Más dolog, hogy a szovjet technológiát rutinszerűen csak az ukrán SSR Dnyipropetrovszk régiójában található Pavlográd vegyi üzemben alkalmazták, és az 1990 -es években elveszett, miután az üzemet háztartási vegyi anyagok gyártására alakították át. Az RS-26 "Rubezh" típusú ígéretes fegyverek taktikai és technikai jellemzői alapján azonban a technológiát a 2010-es években Oroszországban helyreállították.
A rendkívül hatékony összetételre példa a 2241693 számú orosz szabadalomból származó szilárd rakéta -üzemanyag összetétele, amely a Szövetségi Állami Egységes Vállalati Permi Gyár tulajdonában van. CM. Kirov :
oxidálószer - ammónium -dinitramid, 58%;
üzemanyag - alumínium -hidrid, 27%;
lágyító - nitroizobutil -trinitrát -glicerin, 11, 25%;
kötőanyag - polibutadién -nitril -gumi, 2, 25%;
keményítő - kén, 1,49%;
égésstabilizátor - ultrafinom alumínium, 0,01%;
adalékanyagok - korom, lecitin stb.
A rakétaüzemanyagok fejlesztésének kilátásai
A folyékony rakétaüzemanyagok fejlesztésének fő irányai a következők (a végrehajtás prioritási sorrendjében):
- túlhűtött oxigén használata az oxidálószer sűrűségének növelése érdekében;
- átállás üzemanyag -gőz oxigén + metánra, amelynek éghető összetevője 15% -kal magasabb energiával és 6 -szor jobb hőkapacitással rendelkezik, mint a kerozin, figyelembe véve azt a tényt, hogy az alumíniumtartályok a folyékony metán hőmérsékletén edzettek;
- 24% -os ózon hozzáadása az oxigén összetételéhez az oxidálószer forráspontjának és energiájának növelése érdekében (az ózon nagy része robbanásveszélyes);
- tixotróp (sűrített) üzemanyag használata, amelynek összetevői pentaborán, pentafluorid, fémek vagy azok hidridjeinek szuszpenzióit tartalmazzák.
A túlhűtött oxigént már használják a Falcon 9 hordozórakétában; az oxigén + metán tüzelésű rakétamotorokat Oroszországban és az Egyesült Államokban fejlesztik.
A szilárd rakéta -üzemanyagok fejlesztésének fő iránya az átmenet a molekuláikban oxigént tartalmazó aktív kötőanyagokra, ami javítja a szilárd hajtóanyagok oxidációs egyensúlyát. Az ilyen kötőanyag modern hazai mintája a "Nika-M" polimer kompozíció, amely dinitril-dioxid és butilén-diol-poliéter -uretán ciklikus csoportjait tartalmazza, amelyet a "Kristall" (Dzerzsinsk) Állami Kutatóintézet fejlesztett ki.
Egy másik ígéretes irány a használt nitramin robbanóanyagok körének bővítése, amelyek magasabb oxigénmérleggel rendelkeznek a HMX -hez képest (mínusz 22%). Először is ezek a hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, oxigénmérleg mínusz 10%) és oktanitrocubane (nulla oxigénmérleg), amelyek kilátásai a gyártási költségek csökkentésétől függnek-jelenleg a Cl-20 nagyságrenddel drágább mint a HMX, az oktonitrokubán nagyságrenddel drágább, mint Cl -húsz.
Az ismert típusú komponensek fejlesztése mellett kutatásokat is végeznek a polimer vegyületek előállítása irányába, amelyek molekulái kizárólag nitrogénatomokból állnak, amelyek egyes kötésekkel vannak összekötve. A polimer vegyület melegítés hatására történő bomlása következtében a nitrogén két atomból álló egyszerű molekulákat képez, amelyek hármas kötéssel vannak összekötve. A felszabaduló energia ebben az esetben kétszerese a nitramin robbanóanyagok energiájának. Először találtak gyémántszerű kristályrácsos nitrogénvegyületeket orosz és német tudósok 2009-ben, közös kísérleti üzemen végzett kísérletek során, 1 millió atmoszféra nyomás és 1725 ° C hőmérséklet hatására. Jelenleg folyamatban van a nitrogén -polimerek metastabil állapotának elérése normál nyomáson és hőmérsékleten.
A magasabb nitrogén-oxidok ígéretes oxigéntartalmú kémiai vegyületek. A jól ismert V nitrogén-monoxid (egy lapos molekula, amely két nitrogénatomból és öt oxigénatomból áll) gyakorlatilag nem értékes a szilárd tüzelőanyag összetevőjeként alacsony olvadáspontja (32 ° C) miatt. Az ilyen irányú vizsgálatokat úgy végzik, hogy keresnek egy módszert a nitrogén-monoxid (tetra-nitrogén-hexaoxid) szintézisére, amelynek keretmolekulája tetraéder alakú, és amelynek csúcsaiban négy nitrogénatom kötődik hat oxigénatom a tetraéder szélein. A nitrogén -monoxid VI molekulájában az atomközi kötések teljes lezárása lehetővé teszi a megnövekedett termikus stabilitás előrejelzését, hasonlóan az urotropinhoz. A nitrogén-monoxid VI oxigénmérlege (plusz 63%) lehetővé teszi az olyan nagy energiájú alkatrészek fajsúlyának jelentős növelését, mint a fémek, fémhidridek, nitraminok és szénhidrogén-polimerek a szilárd rakéta-üzemanyagban.
