Raketno gorivo sadrži gorivo i oksidans i za razliku od mlaznog goriva, nije mu potrebna vanjska komponenta: zrak ili voda. Raketna goriva, prema agregatnom stanju, dijele se na tekuća, čvrsta i hibridna. Tečna goriva se dijele na kriogena (sa tačkom ključanja komponenti ispod nula stepeni Celzijusa) i na ključanje (ostalo). Čvrsta goriva sastoje se od kemijskog spoja, čvrste otopine ili plastificirane mješavine komponenti. Hibridna goriva sastoje se od komponenti u različitim agregatnim stanjima i trenutno su u fazi istraživanja.
Istorijski gledano, prvo raketno gorivo bio je crni prah, mješavina šalitre (oksidator), drvenog ugljena (gorivo) i sumpora (vezivo), koja je prvi put korištena u kineskim raketama u 2. stoljeću poslije Krista. Municija sa raketnim motorom na čvrsto gorivo (raketni motor na čvrsto gorivo) korištena je u vojnim poslovima kao zapaljivo i signalno sredstvo.
Nakon pronalaska bezdimnog praha krajem 19. stoljeća, na njegovoj osnovi razvijeno je jednokomponentno gorivo od balistita, koje se sastoji od čvrste otopine nitroceluloze (goriva) u nitroglicerinu (oksidacionom sredstvu). Gorivo od balistita ima višestruko veću energiju u odnosu na crni prah, ima visoku mehaničku čvrstoću, dobro je oblikovano, zadržava kemijsku stabilnost dugo vremena tijekom skladištenja i ima nisku cijenu. Ove kvalitete predodredile su široku upotrebu balističkog goriva u najmasivnijoj municiji opremljenoj čvrstim gorivima - raketama i granatama.
Razvoj u prvoj polovici dvadesetog stoljeća takvih znanstvenih disciplina kao što su dinamika plina, fizika gorenja i kemija visokoenergetskih spojeva omogućilo je proširenje sastava raketnih goriva upotrebom tekućih komponenti. Prva borbena raketa sa raketnim motorom na tečno gorivo (LPRE) "V -2" koristila je kriogeni oksidator - tečni kiseonik i gorivo sa visokim ključanjem - etilni alkohol.
Nakon Drugog svjetskog rata, raketno oružje dobilo je prioritet u razvoju u odnosu na druge vrste naoružanja zbog svoje sposobnosti da isporuči nuklearne naboje do cilja na bilo kojoj udaljenosti - od nekoliko kilometara (raketni sistemi) do interkontinentalnog dometa (balističke rakete). Osim toga, raketno naoružanje značajno je potisnulo artiljerijsko naoružanje u zrakoplovstvu, protuzračnoj obrani, kopnenim snagama i mornarici zbog nedostatka sile odbijanja prilikom lansiranja municije raketnim motorima.
Paralelno s balističkim i tekućim raketnim gorivom, višekomponentna miješana kruta goriva razvijena su kao najprikladnija za vojnu upotrebu zbog širokog raspona rada, uklanjanja opasnosti od izlijevanja komponenti, nižih troškova raketnih motora na kruta goriva zbog nepostojanja cjevovodi, ventili i pumpe sa većim potiskom po jedinici težine.
Glavne karakteristike raketnih goriva
Osim agregatnog stanja njegovih komponenti, raketna goriva karakteriziraju i sljedeći pokazatelji:
- specifični impuls potiska;
- termička stabilnost;
- hemijska stabilnost;
- biološka toksičnost;
- gustina;
- zadimljenost.
Specifični impuls potiska raketnih goriva ovisi o tlaku i temperaturi u komori za sagorijevanje motora, kao i o molekularnom sastavu proizvoda sagorijevanja. Osim toga, specifični impuls ovisi o omjeru ekspanzije mlaznice motora, ali to se više odnosi na vanjsko okruženje raketne tehnologije (zračna atmosfera ili svemir).
Povećani pritisak postiže se upotrebom građevinskih materijala velike čvrstoće (legure čelika za raketne motore i organoplastika za kruta goriva). U ovom aspektu, raketni motori na tečna goriva su ispred čvrstih goriva zbog kompaktnosti pogonske jedinice u poređenju sa kućištem motora na čvrsto gorivo, koje je jedna velika komora za sagorevanje.
Visoka temperatura produkata sagorijevanja postiže se dodavanjem metalnog aluminija ili kemijskog spoja - aluminij hidrida u kruto gorivo. Tečna goriva mogu koristiti takve aditive samo ako su zgusnuta posebnim aditivima. Toplinska zaštita raketnih motora na tekuće gorivo osigurava se hlađenjem s gorivom, toplinska zaštita krutih goriva-čvrstim pričvršćivanjem bloka za gorivo na stijenke motora i upotrebom umetaka za izgaranje od kompozita ugljik-ugljik u kritičnom presjeku mlaznica.
Molekularni sastav produkata sagorijevanja / razlaganja goriva utječe na brzinu protoka i njihovo agregatno stanje na izlazu iz mlaznice. Što je manja težina molekula, veća je i brzina protoka: najpoželjniji proizvodi sagorijevanja su molekule vode, zatim dušik, ugljični dioksid, oksidi klora i drugi halogeni; najmanje poželjan je glinica, koja se kondenzira u krutinu u mlaznici motora, čime se smanjuje volumen plinova koji se šire. Osim toga, frakcija aluminij -oksida prisiljava upotrebu konusnih mlaznica zbog abrazivnog trošenja najefikasnijih paraboličnih Laval -ovih mlaznica.
Za vojna raketna goriva njihova toplinska stabilnost je od posebne važnosti zbog širokog raspona temperatura rada raketne tehnologije. Stoga su kriogena tekuća goriva (kisik + kerozin i kisik + vodik) korištena samo u početnoj fazi razvoja interkontinentalnih balističkih projektila (R-7 i Titan), kao i za lansirna vozila svemirskih vozila za višekratnu upotrebu (Space Shuttle i Energia) namijenjene lansiranju satelita i svemirskog naoružanja u nisko Zemljinu orbitu.
Trenutno vojska koristi isključivo visoko vrelo tekuće gorivo na bazi dušikovog tetroksida (AT, oksidator) i asimetričnog dimetilhidrazina (UDMH, gorivo). Toplinska stabilnost ovog para goriva određena je tačkom ključanja AT (+ 21 ° C), što ograničava upotrebu ovog goriva za projektile u termostatiranim uvjetima u ICBM i SLBM raketnim silosima. Zbog agresivnosti komponenti, tehnologija njihove proizvodnje i rada raketnih tenkova bila je / je u vlasništvu samo jedne zemlje u svijetu - SSSR / RF (ICBM "Voevoda" i "Sarmat", SLBMs "Sineva" i " Liner "). Izuzetno, AT + NDMG koristi se kao gorivo za krstareće rakete aviona Kh-22 Tempest, ali zbog problema sa kopnenim radom, Kh-22 i njihova sljedeća generacija Kh-32 planiraju se zamijeniti mlaznim pogonom Krstareće rakete sa cirkonom koje koriste kerozin kao gorivo.
Toplinska stabilnost krutih goriva uglavnom je određena odgovarajućim svojstvima otapala i polimernog veziva. U sastavu balistitnih goriva, otapalo je nitroglicerin, koji u krutom rastvoru sa nitrocelulozom ima temperaturni opseg rada od minus do plus 50 ° C. U mješovitim gorivima, različita sintetička guma s istim rasponom radnih temperatura koristi se kao polimerno vezivo. Međutim, toplinska stabilnost glavnih komponenti krutih goriva (amonijev dinitramid + 97 ° C, aluminij hidrid + 105 ° C, nitroceluloza + 160 ° C, amonijev perhlorat i HMX + 200 ° C) značajno premašuje slična svojstva poznatih veziva, pa je stoga relevantna potraga za njihovim novim kompozicijama.
Hemijski najstabilniji par goriva je AT + UDMG, budući da je za njega razvijena jedinstvena domaća tehnologija ampuliranog skladištenja u aluminijskim spremnicima pod blagim viškom pritiska dušika gotovo neograničeno vrijeme. Sva kruta goriva s vremenom se kemijski razgrađuju zbog spontanog razlaganja polimera i njihovih tehnoloških otapala, nakon čega oligomeri ulaze u kemijske reakcije s drugim, stabilnijim komponentama goriva. Stoga je provjerivačima krutih goriva potrebna redovna zamjena.
Biološki toksična komponenta raketnih goriva je UDMH, koji utječe na središnji nervni sistem, sluznicu očiju i probavni trakt čovjeka te izaziva rak. S tim u vezi, rad s UDMH-om provodi se u izolaciji kemijskih zaštitnih odijela uz upotrebu samostalnih aparata za disanje.
Vrijednost gustoće goriva izravno utječe na masu spremnika goriva LPRE i tijela rakete na čvrsto gorivo: što je veća gustoća, manja je parazitska masa rakete. Najniža gustoća para vodika i kisika je 0,34 g / cu. cm, par kerozina + kisik ima gustoću 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1,19 g / cu. cm, nitroceluloza + nitroglicerin - 1,62 g / cu. cm, aluminijum / aluminijum hidrid + perhlorat / amonijum dinitramid - 1,7 g / cc, HMX + amonijum perhlorat - 1,9 g / cc. U ovom slučaju treba imati na umu da je raketni motor na kruto gorivo aksijalnog sagorijevanja, gustoća punjenja goriva približno dva puta manja od gustoće goriva zbog zvjezdastog dijela kanala za izgaranje, koji se koristi za održavanje konstantnog pritiska u komori za sagorevanje, bez obzira na stepen sagorevanja goriva. Isto se odnosi i na balistička goriva, koja se formiraju kao skup pojaseva ili štapova kako bi se skratilo vrijeme gorenja i udaljenost ubrzanja raketa i raketa. Za razliku od njih, gustoća punjenja goriva u raketnim motorima na čvrsto gorivo s krajnjim sagorijevanjem na bazi HMX podudara se s maksimalnom gustoćom koja je za nju naznačena.
Posljednja od glavnih karakteristika raketnih goriva je dim produkata sagorijevanja, koji vizualno demaskira let raketa i raketa. Ova karakteristika svojstvena je čvrstim gorivima koja sadrže aluminij, čiji se oksidi kondenziraju u kruto stanje tijekom ekspanzije u mlaznici raketnog motora. Stoga se ova goriva koriste u čvrstim pogonima balističkih projektila, čiji je aktivni dio putanje izvan neprijateljskog vidokruga. Rakete aviona se napajaju gorivom HMX i amonijum -perhloratom, raketama, granatama i protivtenkovskim projektilima - sa balističkim gorivom.
Energija raketnih goriva
Za usporedbu energetskih mogućnosti različitih vrsta raketnog goriva potrebno je za njih postaviti usporedive uvjete sagorijevanja u obliku pritiska u komori za sagorijevanje i omjera ekspanzije mlaznice raketnog motora - na primjer, 150 atmosfera i 300 puta proširenje. Tada će za parove / trojke goriva specifični impuls biti:
kiseonik + vodonik - 4,4 km / s;
kiseonik + kerozin - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amonijum dinitramid + vodonik hidrid + HMX - 3,2 km / s;
amonijev perhlorat + aluminij + HMX - 3,1 km / s;
amonijev perhlorat + HMX - 2,9 km / s;
nitroceluloza + nitroglicerin - 2,5 km / s.
Čvrsto gorivo na bazi amonijevog dinitramida domaći je razvoj kasnih 1980-ih, korišteno je kao gorivo za drugu i treću fazu projektila RT-23 UTTKh i R-39 i još uvijek nisu nadmašeni po energetskim karakteristikama po najboljim uzorcima stranog goriva na bazi amonijum-perhlorata, koji se koristi u projektilima Minuteman-3 i Trident-2. Amonijum dinitramid je eksploziv koji detonira čak i od svjetlosnog zračenja, pa se njegova proizvodnja vrši u prostorijama osvijetljenim crvenim svjetiljkama male snage. Tehnološke poteškoće nisu omogućile ovladavanje procesom proizvodnje raketnog goriva na njegovoj osnovi bilo gdje u svijetu, osim u SSSR -u. Druga je stvar što se sovjetska tehnologija rutinski primjenjivala samo u kemijskoj tvornici Pavlograd, koja se nalazi u Dnepropetrovskoj oblasti Ukrajinske SSR, a izgubljena je 1990 -ih nakon što je tvornica pretvorena u proizvodnju kemikalija za kućanstvo. Međutim, sudeći prema taktičko-tehničkim karakteristikama obećavajućeg oružja tipa RS-26 "Rubezh", tehnologija je obnovljena u Rusiji 2010-ih.
Primjer visoko efikasnog sastava je sastav čvrstog raketnog goriva iz ruskog patenta br. 2241693, u vlasništvu Federalnog državnog unitarnog preduzeća Perm Plant imenom CM. Kirov :
oksidaciono sredstvo - amonijum dinitramid, 58%;
gorivo - aluminijum hidrid, 27%;
plastifikator - nitroizobutiltrinitratglicerin, 11, 25%;
vezivo - polibutadien nitrilna guma, 2, 25%;
učvršćivač - sumpor, 1,49%;
stabilizator sagorevanja - ultrafini aluminijum, 0,01%;
aditivi - čađe, lecitin itd.
Izgledi za razvoj raketnih goriva
Glavni pravci razvoja tečnih raketnih goriva su (po redoslijedu prioriteta implementacije):
- korištenje prehlađenog kisika kako bi se povećala gustoća oksidanta;
- prijelaz na paru goriva kiseonik + metan, čija zapaljiva komponenta ima 15% veću energiju i 6 puta bolji toplinski kapacitet od kerozina, uzimajući u obzir činjenicu da su aluminijski spremnici otvrdnuti na temperaturi tekućeg metana;
- dodavanje ozona u sastav kisika na nivou od 24% radi povećanja tačke ključanja i energije oksidanta (veliki dio ozona je eksplozivan);
- upotrebu tiksotropnog (zgusnutog) goriva, čije komponente sadrže suspenzije pentaborana, pentafluorida, metala ili njihovih hidrida.
Prehlađeni kiseonik već se koristi u lansirnom vozilu Falcon 9; raketni motori na kiseonik i metan razvijaju se u Rusiji i Sjedinjenim Državama.
Glavni smjer u razvoju čvrstih raketnih goriva je prijelaz na aktivna veziva koja sadrže kisik u svojim molekulama, što poboljšava oksidacijsku ravnotežu krutih goriva u cjelini. Savremeni domaći uzorak takvog veziva je polimerni sastav "Nika-M", koji uključuje ciklične grupe dinitril dioksida i butilendiol polieteruretana, koji je razvio Državni istraživački institut "Kristall" (Dzerzhinsk).
Još jedan obećavajući smjer je proširenje raspona korištenih nitramin eksploziva, koji imaju veću ravnotežu kisika u odnosu na HMX (minus 22%). Prije svega, to su heksanitroheksaazaisovurtzitan (Cl-20, bilans kisika minus 10%) i oktanitrokuban (nulta ravnoteža kisika), čije izglede ovise o smanjenju troškova njihove proizvodnje-trenutno je Cl-20 za red veličine skuplji od HMX -a, oktonitrokuban je za red veličine skuplji od Cl -dvadeset.
Osim poboljšanja poznatih vrsta komponenti, istraživanja se provode i u smjeru stvaranja polimernih spojeva, čije se molekule sastoje isključivo od atoma dušika povezanih jednostrukim vezama. Kao rezultat razgradnje polimernog spoja pod djelovanjem zagrijavanja, dušik stvara jednostavne molekule od dva atoma povezana trostrukom vezom. U ovom slučaju energija je dvostruko veća od energije nitramin eksploziva. Po prvi put, azotna jedinjenja sa kristalnom rešetkom nalik dijamantu dobili su ruski i njemački naučnici 2009. godine tokom eksperimenata na zajedničkom pilot postrojenju pod djelovanjem pritiska od 1 miliona atmosfera i temperature od 1725 ° C. Trenutno se radi na postizanju metastabilnog stanja dušikovih polimera pri uobičajenom tlaku i temperaturi.
Viši azotni oksidi obećavaju hemijska jedinjenja koja sadrže kiseonik. Dobro poznati dušikov oksid V (čiji se ravni molekul sastoji od dva atoma dušika i pet atoma kisika) nema praktičnu vrijednost kao komponenta krutog goriva zbog niske tališta (32 ° C). Istraživanja u tom smjeru provode se traženjem metode za sintezu dušikovog oksida VI (tetra-dušikov heksaoksid), čiji okvirni molekul ima oblik tetraedra, na čijim su vrhovima vezana četiri atoma dušika. šest atoma kisika nalazi se na rubovima tetraedra. Potpuno zatvaranje međuatomskih veza u molekuli dušikovog oksida VI omogućuje predviđanje povećane toplinske stabilnosti, slične urotropinskoj. Ravnoteža kisika dušikovog oksida VI (plus 63%) omogućuje značajno povećanje specifične težine takvih visokoenergetskih komponenti kao što su metali, metalni hidridi, nitramini i ugljikovodični polimeri u krutom raketnom gorivu.
