Paliwo rakietowe zawiera paliwo i utleniacz iw przeciwieństwie do paliwa do silników odrzutowych nie wymaga zewnętrznego składnika: powietrza lub wody. Paliwa rakietowe, w zależności od stanu skupienia, dzielą się na płynne, stałe i hybrydowe. Paliwa płynne dzielą się na kriogeniczne (z temperaturą wrzenia składników poniżej zera stopni Celsjusza) i wysokowrzące (pozostałe). Paliwa stałe składają się ze związku chemicznego, roztworu stałego lub uplastycznionej mieszanki składników. Paliwa hybrydowe składają się z komponentów w różnych stanach skupienia i znajdują się obecnie w fazie badań.
Historycznie, pierwszym paliwem rakietowym był czarny proszek, mieszanka saletry (utleniacz), węgla drzewnego (paliwo) i siarki (spoiwo), który po raz pierwszy został użyty w chińskich rakietach w II wieku naszej ery. Amunicja z silnikiem rakietowym na paliwo stałe (silnik rakietowy na paliwo stałe) była używana w sprawach wojskowych jako środek zapalający i sygnalizacyjny.
Po wynalezieniu pod koniec XIX wieku proszku bezdymnego opracowano na jego bazie jednoskładnikowe paliwo balistytowe, składające się ze stałego roztworu nitrocelulozy (paliwa) w nitroglicerynie (środku utleniającym). Paliwo balistytowe ma wielokrotność wyższej energii w porównaniu do prochu czarnego, ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, jest dobrze uformowane, długo zachowuje stabilność chemiczną podczas przechowywania i ma niską cenę. Te cechy z góry przesądziły o powszechnym stosowaniu paliwa balistycznego w najbardziej masywnej amunicji wyposażonej w paliwo stałe - rakiety i granaty.
Rozwój w pierwszej połowie XX wieku takich dyscyplin naukowych jak dynamika gazów, fizyka spalania i chemia związków wysokoenergetycznych umożliwił poszerzenie składu paliw rakietowych poprzez zastosowanie składników płynnych. Pierwszy pocisk bojowy z silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe (LPRE) „V-2” wykorzystywał utleniacz kriogeniczny - ciekły tlen i wysokowrzące paliwo - alkohol etylowy.
Po II wojnie światowej broń rakietowa uzyskała priorytet w rozwoju nad innymi rodzajami broni ze względu na ich zdolność do dostarczania ładunków jądrowych do celu na dowolną odległość - od kilku kilometrów (systemy rakietowe) do zasięgu międzykontynentalnego (pociski balistyczne). Ponadto broń rakietowa znacznie wyparła broń artyleryjską w lotnictwie, obronie powietrznej, siłach lądowych i marynarce wojennej ze względu na brak siły odrzutu podczas wystrzeliwania amunicji z silnikami rakietowymi.
Równolegle z balistycznym i ciekłym paliwem rakietowym, wieloskładnikowe mieszane paliwa stałe zostały opracowane jako najbardziej odpowiednie do zastosowań wojskowych ze względu na ich szeroki zakres temperatur pracy, eliminację niebezpieczeństwa rozlania komponentów, niższy koszt silników rakietowych na paliwo stałe ze względu na brak rurociągi, zawory i pompy o wyższym ciągu na jednostkę masy.
Główne cechy paliw rakietowych
Oprócz stanu skupienia jego składników paliwa rakietowe charakteryzują się następującymi wskaźnikami:
- specyficzny impuls ciągu;
- stabilność termiczna;
- stabilność chemiczna;
- toksyczność biologiczna;
- gęstość;
- zadymienie.
Specyficzny impuls ciągu paliw rakietowych zależy od ciśnienia i temperatury w komorze spalania silnika, a także od składu cząsteczkowego produktów spalania. Ponadto impuls właściwy zależy od stopnia rozprężania dyszy silnika, ale jest to bardziej związane z zewnętrznym środowiskiem technologii rakietowej (atmosfera powietrza lub przestrzeń kosmiczna).
Zwiększone ciśnienie zapewnia zastosowanie materiałów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości (stopy stali do silników rakietowych oraz tworzywa organiczne do paliw stałych). Pod tym względem silniki rakietowe na paliwo ciekłe wyprzedzają paliwa stałe ze względu na zwartość jednostki napędowej w porównaniu z korpusem silnika na paliwo stałe, który stanowi jedną dużą komorę spalania.
Wysoką temperaturę produktów spalania uzyskuje się poprzez dodanie do paliwa stałego metalicznego glinu lub związku chemicznego - wodorku glinu. Paliwa płynne mogą używać takich dodatków tylko wtedy, gdy są zagęszczone specjalnymi dodatkami. Ochronę termiczną silników rakietowych na paliwo ciekłe zapewnia chłodzenie paliwem, ochronę termiczną paliw stałych - poprzez mocne przymocowanie bloku paliwowego do ścianek silnika oraz zastosowanie wkładów wypalających z kompozytu węglowo-węglowego w krytycznej części dysza.
Skład cząsteczkowy produktów spalania/rozkładu paliwa wpływa na natężenie przepływu i stan ich skupienia na wylocie dyszy. Im mniejsza masa cząsteczek, tym wyższa prędkość przepływu: najkorzystniejszymi produktami spalania są cząsteczki wody, a następnie azot, dwutlenek węgla, tlenki chloru i inne halogeny; najmniej korzystny jest tlenek glinu, który kondensuje do postaci stałej w dyszy silnika, zmniejszając w ten sposób objętość rozprężających się gazów. Dodatkowo frakcja tlenku glinu wymusza stosowanie dysz stożkowych ze względu na zużycie ścierne najwydajniejszych dysz parabolicznych Lavala.
W przypadku wojskowych paliw rakietowych ich stabilność termiczna ma szczególne znaczenie ze względu na szeroki zakres temperatur pracy technologii rakietowej. Dlatego kriogeniczne paliwa płynne (tlen + nafta i tlen + wodór) były wykorzystywane jedynie w początkowej fazie rozwoju międzykontynentalnych pocisków balistycznych (R-7 i Titan), a także do rakiet nośnych pojazdów kosmicznych wielokrotnego użytku (wahadłowiec kosmiczny i Energia) przeznaczonej do wynoszenia satelitów i broni kosmicznej na niską orbitę okołoziemską.
Obecnie wojsko używa wyłącznie wysokowrzącego paliwa ciekłego na bazie czterotlenku azotu (AT, utleniacz) i asymetrycznej dimetylohydrazyny (UDMH, paliwo). Stabilność termiczna tej pary paliw zależy od temperatury wrzenia AT (+ 21 ° C), co ogranicza wykorzystanie tego paliwa przez pociski w warunkach termostatowanych w silosach rakietowych ICBM i SLBM. Ze względu na agresywność komponentów technologia ich produkcji i eksploatacji czołgów rakietowych była / jest własnością tylko jednego kraju na świecie - ZSRR / RF (ICBM „Voevoda” i „Sarmat”, SLBM „Sineva” i „ Liniowiec ). Wyjątkowo AT + NDMG jest używany jako paliwo dla pocisków manewrujących samolotów Kh-22 Tempest, ale ze względu na problemy z eksploatacją naziemną planuje się zastąpić Kh-22 i ich następną generację Kh-32 przez odrzutowe. Cyrkonowe pociski samosterujące wykorzystujące naftę jako paliwo.
Stabilność termiczna paliw stałych zależy głównie od odpowiednich właściwości rozpuszczalnika i spoiwa polimerowego. W składzie paliw balistytowych rozpuszczalnikiem jest nitrogliceryna, która w stałym roztworze z nitrocelulozą ma zakres temperatur pracy od minus do plus 50 ° C. W paliwach mieszanych jako spoiwo polimerowe stosuje się różne kauczuki syntetyczne o tym samym zakresie temperatur pracy. Jednak stabilność termiczna głównych składników paliw stałych (dinitroamid amonu + 97 ° C, wodorek glinu + 105 ° C, nitroceluloza + 160 ° C, nadchloran amonu i HMX + 200 ° C) znacznie przewyższa podobne właściwości znanych spoiw, a zatem istotne jest poszukiwanie ich nowych kompozycji.
Najbardziej stabilną chemicznie parą paliwową jest AT + UDMG, ponieważ opracowano dla niej unikalną krajową technologię przechowywania ampułkowanego w aluminiowych zbiornikach pod niewielkim nadciśnieniem azotu przez prawie nieograniczony czas. Wszystkie paliwa stałe ulegają z czasem degradacji chemicznej w wyniku samorzutnego rozkładu polimerów i ich rozpuszczalników technologicznych, po czym oligomery wchodzą w reakcje chemiczne z innymi, bardziej stabilnymi składnikami paliw. Dlatego też kontrolery na paliwo stałe wymagają regularnej wymiany.
Biologicznie toksycznym składnikiem paliw rakietowych jest UDMH, który działa na ośrodkowy układ nerwowy, błony śluzowe oczu i przewód pokarmowy człowieka oraz wywołuje raka. W związku z tym praca z UDMH odbywa się w izolujących kombinezonach chemoodpornych przy użyciu autonomicznego aparatu oddechowego.
Wartość gęstości paliwa wpływa bezpośrednio na masę zbiorników paliwa LPRE i korpusu rakiety na paliwo stałe: im wyższa gęstość, tym mniejsza masa pasożytnicza rakiety. Najniższa gęstość pary paliwowej wodór + tlen wynosi 0,34 g/cu. cm, para nafta + tlen ma gęstość 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitroceluloza + nitrogliceryna - 1,62 g / cu. cm, glin / wodorek glinu + nadchloran / dinitramid amonu - 1,7 g/cm3, HMX + nadchloran amonu - 1,9 g/cm3. W tym przypadku należy pamiętać, że w przypadku silnika rakietowego na paliwo stałe ze spalaniem osiowym gęstość ładunku paliwa jest około dwa razy mniejsza niż gęstość paliwa ze względu na zastosowany gwiaździsty odcinek kanału spalania do utrzymania stałego ciśnienia w komorze spalania, niezależnie od stopnia wypalenia paliwa. To samo dotyczy paliw balistycznych, które tworzą zestaw pasów lub sztyftów, aby skrócić czas spalania i drogę przyspieszenia rakiet i rakiet. W przeciwieństwie do nich gęstość ładunku paliwa w silnikach rakietowych na paliwo stałe końcowego spalania opartych na HMX pokrywa się ze wskazaną dla niego gęstością maksymalną.
Ostatnią z głównych cech paliw rakietowych jest dym produktów spalania, wizualnie demaskujący lot rakiet i rakiet. Ta cecha jest nieodłączna w przypadku paliw stałych zawierających aluminium, których tlenki są kondensowane do stanu stałego podczas rozprężania w dyszy silnika rakietowego. Dlatego paliwa te są stosowane w paliwach stałych pocisków balistycznych, których aktywny odcinek trajektorii znajduje się poza zasięgiem wzroku wroga. Pociski lotnicze zasilane są paliwem HMX i nadchloranem amonu, rakiety, granaty i pociski przeciwpancerne - paliwem balistycznym.
Energia paliw rakietowych
Aby porównać możliwości energetyczne różnych rodzajów paliwa rakietowego, konieczne jest ustawienie dla nich porównywalnych warunków spalania w postaci ciśnienia w komorze spalania i stopnia rozprężania dyszy silnika rakietowego - na przykład 150 atmosfer i 300-krotny ekspansja. Wówczas dla par/trojek paliw impulsem właściwym będzie:
tlen + wodór - 4,4 km / s;
tlen + nafta - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitroamid amonu + wodorowodorek + HMX - 3,2 km / s;
nadchloran amonu + aluminium + HMX - 3,1 km/s;
nadchloran amonu + HMX - 2,9 km/s;
nitroceluloza + nitrogliceryna - 2,5 km / s.
Paliwo stałe na bazie dinitroamidu amonu to krajowe opracowanie z końca lat 80. XX wieku, było używane jako paliwo do drugiego i trzeciego etapu pocisków RT-23 UTTKh i R-39 i nie zostało jeszcze prześcignięte w charakterystyce energetycznej przez najlepsze próbki paliwa obcego na bazie nadchloranu amonu stosowanego w rakietach Minuteman-3 i Trident-2. Dinitramid amonu jest materiałem wybuchowym, który wybucha nawet pod wpływem promieniowania świetlnego, dlatego jego produkcja odbywa się w pomieszczeniach oświetlonych czerwonymi lampami małej mocy. Trudności technologiczne nie pozwoliły opanować procesu wytwarzania paliwa rakietowego na jego podstawie nigdzie na świecie, z wyjątkiem ZSRR. Inną rzeczą jest to, że sowiecka technologia była rutynowo wdrażana tylko w Pawłogradzkich zakładach chemicznych, położonych w obwodzie dniepropietrowskim ukraińskiej SRR, i została utracona w latach 90. po przekształceniu zakładu w produkcję chemii gospodarczej. Jednak sądząc po taktycznych i technicznych cechach obiecującej broni typu RS-26 „Rubezh”, technologia została przywrócona w Rosji w latach 2010-tych.
Przykładem wysoce efektywnego składu jest skład stałego paliwa rakietowego z rosyjskiego patentu nr 2241693, którego właścicielem jest Federalne Państwowe Jednostkowe Przedsiębiorstwo Permowe im. CM. Kirow”:
środek utleniający - dinitroamid amonu, 58%;
paliwo - wodorek glinu, 27%;
plastyfikator – nitroizobutylotriazotangliceryna, 11, 25%;
spoiwo – kauczuk polibutadienowo-nitrylowy, 2, 25%;
utwardzacz - siarka, 1,49%;
stabilizator spalania - ultradrobne aluminium 0,01%;
dodatki - sadza, lecytyna itp.
Perspektywy rozwoju paliw rakietowych
Główne kierunki rozwoju ciekłych paliw rakietowych to (w kolejności realizacji):
- zastosowanie przechłodzonego tlenu w celu zwiększenia gęstości utleniacza;
- przejście na paliwo gazowe tlen + metan, którego składnik palny ma o 15% wyższą energię i 6 razy lepszą pojemność cieplną niż nafta, biorąc pod uwagę fakt, że zbiorniki aluminiowe utwardzane są w temperaturze ciekłego metanu;
- dodanie ozonu do składu tlenowego na poziomie 24% w celu podwyższenia temperatury wrzenia i energii utleniacza (duża część ozonu jest wybuchowa);
- stosowanie paliwa tiksotropowego (zagęszczonego), którego składniki zawierają zawiesiny pentaboranu, pentafluorku, metali lub ich wodorków.
Przechłodzony tlen jest już używany w rakietach nośnych Falcon 9. Silniki rakietowe zasilane tlenem i metanem są opracowywane w Rosji i Stanach Zjednoczonych.
Głównym kierunkiem rozwoju stałych paliw rakietowych jest przejście na aktywne spoiwa zawierające tlen w swoich cząsteczkach, co poprawia równowagę utleniania paliw stałych jako całości. Nowoczesną domową próbką takiego spoiwa jest kompozycja polimerowa „Nika-M”, która obejmuje cykliczne grupy dinitrylu i polieteruretanu butylenodiolu, opracowaną przez Państwowy Instytut Badawczy „Kristall” (Dzierżyńsk).
Innym obiecującym kierunkiem jest rozszerzenie zakresu stosowanych nitraminowych materiałów wybuchowych, które mają wyższy bilans tlenowy w porównaniu z HMX (minus 22%). Przede wszystkim są to heksanitroheksaazaizowurcytan (Cl-20, bilans tlenowy minus 10%) i oktanitrokuban (zerowy bilans tlenowy), których perspektywy zależą od obniżenia kosztów ich produkcji – obecnie Cl-20 jest o rząd wielkości droższy niż HMX, oktonitrokuban jest o rząd wielkości droższy niż Cl-dwadzieścia.
Oprócz ulepszania znanych typów komponentów prowadzone są również badania w kierunku stworzenia związków polimerowych, których cząsteczki składają się wyłącznie z atomów azotu połączonych pojedynczymi wiązaniami. W wyniku rozkładu związku polimerowego pod wpływem ogrzewania azot tworzy proste cząsteczki dwóch atomów połączonych wiązaniem potrójnym. Energia uwolniona w tym przypadku jest dwukrotnie większa od energii materiałów wybuchowych zawierających nitraminy. Po raz pierwszy związki azotu o diamentopodobnej sieci krystalicznej zostały uzyskane przez rosyjskich i niemieckich naukowców w 2009 roku podczas eksperymentów na wspólnej instalacji pilotowej pod działaniem ciśnienia 1 miliona atmosfer i temperatury 1725 ° C. Obecnie trwają prace nad osiągnięciem stanu metastabilnego polimerów azotowych przy zwykłym ciśnieniu i temperaturze.
Wyższe tlenki azotu są obiecującymi związkami chemicznymi zawierającymi tlen. Dobrze znany tlenek azotu V (którego płaska cząsteczka składa się z dwóch atomów azotu i pięciu atomów tlenu) nie ma praktycznej wartości jako składnik paliw stałych ze względu na jego niską temperaturę topnienia (32°C). Badania w tym kierunku prowadzone są poprzez poszukiwanie metody syntezy tlenku azotu VI (heksatlenku tetraazotu), którego szkieletowa cząsteczka ma kształt czworościanu, na którego wierzchołkach są połączone cztery atomy azotu sześć atomów tlenu znajdujących się na krawędziach czworościanu. Całkowite zamknięcie wiązań międzyatomowych w cząsteczce tlenku azotu VI pozwala przewidzieć dla niego zwiększoną stabilność termiczną, podobną do urotropiny. Bilans tlenowy tlenku azotu VI (plus 63%) umożliwia znaczne zwiększenie ciężaru właściwego takich wysokoenergetycznych składników, jak metale, wodorki metali, nitraminy i polimery węglowodorowe w stałym paliwie rakietowym.
