Raķešu degviela satur degvielu un oksidētāju, un atšķirībā no reaktīvās degvielas tai nav nepieciešama ārēja sastāvdaļa: gaiss vai ūdens. Raķešu degvielas pēc to agregācijas stāvokļa tiek sadalītas šķidrā, cietā un hibrīdā. Šķidro kurināmo iedala kriogēnā (ar sastāvdaļu viršanas temperatūru zem nulles grādiem pēc Celsija) un augstu viršanas temperatūru (pārējā). Cietais kurināmais sastāv no ķīmiska savienojuma, cieta šķīduma vai plastificēta sastāvdaļu maisījuma. Hibrīda degviela sastāv no komponentiem dažādās agregācijas stāvoklī un pašlaik atrodas izpētes stadijā.
Vēsturiski pirmā raķešu degviela bija melnais pulveris, salpetra (oksidētāja), kokogles (degviela) un sēra (saistviela) maisījums, kas pirmo reizi tika izmantots Ķīnas raķetēs mūsu ēras 2. gadsimtā. Munīcija ar cietā propelenta raķešu dzinēju (cietā propelenta raķešu dzinējs) tika izmantota militārajās lietās kā aizdedzinošs un signalizācijas līdzeklis.
Pēc nesmēķējoša pulvera izgudrošanas 19. gadsimta beigās uz tā pamata tika izstrādāta vienkomponentu ballistiskā degviela, kas sastāvēja no cieta nitrocelulozes (degvielas) šķīduma nitroglicerīnā (oksidētājs). Ballistite degvielai ir daudzkārt lielāka enerģija salīdzinājumā ar melno pulveri, tai ir augsta mehāniskā izturība, tā ir labi veidota, uzglabāšanas laikā ilgstoši saglabā ķīmisko stabilitāti un tai ir zema cena. Šīs īpašības noteica plašu ballistiskās degvielas izmantošanu masīvākajā munīcijā, kas aprīkota ar cietiem propelentiem - raķetēm un granātām.
Tādu zinātnisku disciplīnu kā gāzu dinamika, sadegšanas fizika un augstas enerģijas savienojumu ķīmija attīstība divdesmitā gadsimta pirmajā pusē ļāva paplašināt raķešu degvielas sastāvu, izmantojot šķidrus komponentus. Pirmajā kaujas raķetē ar šķidro propelentu raķešu dzinēju (LPRE) "V -2" tika izmantots kriogēns oksidētājs - šķidrais skābeklis un degviela ar augstu viršanas temperatūru - etilspirts.
Pēc Otrā pasaules kara raķešu ieročiem tika piešķirta prioritāte attīstībā salīdzinājumā ar citiem ieroču veidiem, jo tie spēja piegādāt kodolieročus mērķim jebkurā attālumā - no vairākiem kilometriem (raķešu sistēmas) līdz starpkontinentālam diapazonam (ballistiskās raķetes). Turklāt raķešu ieroči ir ievērojami aizstājuši artilērijas ieročus aviācijā, pretgaisa aizsardzībā, sauszemes spēkos un flotē, jo trūkst atsitiena spēka, palaižot munīciju ar raķešu dzinējiem.
Vienlaikus ar ballistisko un šķidro raķešu degvielu daudzkomponentu jaukti cietie propelenti tika izstrādāti kā vispiemērotākie militāram lietojumam, ņemot vērā to plašo darbības diapazonu, novēršot detaļu noplūdes risku, zemākas cietā propelenta raķešu dzinēju izmaksas, jo nav raķešu. cauruļvadi, vārsti un sūkņi ar lielāku vilces spēku uz svara vienību.
Raķešu degvielas galvenās īpašības
Papildus tā sastāvdaļu agregācijas stāvoklim raķešu degvielu raksturo šādi rādītāji:
- īpašs vilces impulss;
- termiskā stabilitāte;
- ķīmiskā stabilitāte;
- bioloģiskā toksicitāte;
- blīvums;
- dūmaka.
Raķešu degvielas īpatnējais vilces impulss ir atkarīgs no spiediena un temperatūras motora sadegšanas kamerā, kā arī no sadegšanas produktu molekulārā sastāva. Turklāt īpatnējais impulss ir atkarīgs no dzinēja sprauslas izplešanās koeficienta, bet tas vairāk saistīts ar raķešu tehnoloģijas ārējo vidi (gaisa atmosfēru vai kosmosu).
Paaugstināts spiediens tiek nodrošināts, izmantojot konstrukcijas materiālus ar augstu izturību (tērauda sakausējumi raķešu dzinējiem un organoplastmasas cietām degvielām). Šajā aspektā raķešu dzinēji ar šķidro propelentu apsteidz cietos propelentus, jo to dzinējspēks ir kompakts, salīdzinot ar cietā kurināmā dzinēja korpusu, kas ir viena liela sadegšanas kamera.
Sadegšanas produktu augstā temperatūra tiek panākta, pievienojot cietajam kurināmajam metāla alumīniju vai ķīmisku savienojumu - alumīnija hidrīdu. Šķidrās degvielas var izmantot šādas piedevas tikai tad, ja tās ir sabiezinātas ar īpašām piedevām. Šķidro propelentu raķešu dzinēju termisko aizsardzību nodrošina dzesēšana ar degvielu, cieto propelentu termiskā aizsardzība-stingri piestiprinot degvielas bloku pie motora sienām un izmantojot izdegšanas ieliktņus, kas izgatavoti no oglekļa-oglekļa kompozīta kritiskajā sadaļā. sprausla.
Degvielas sadegšanas / sadalīšanās produktu molekulārais sastāvs ietekmē plūsmas ātrumu un to agregācijas stāvokli sprauslas izejā. Jo mazāks ir molekulu svars, jo lielāks ir plūsmas ātrums: vēlamākie sadegšanas produkti ir ūdens molekulas, kam seko slāpeklis, oglekļa dioksīds, hlora oksīdi un citi halogēni; vismazāk vēlamais ir alumīnija oksīds, kas motora sprauslā kondensējas līdz cietai vielai, tādējādi samazinot izplešanās gāzu daudzumu. Turklāt alumīnija oksīda frakcija liek izmantot konusveida sprauslas, pateicoties visefektīvāko parabolisko Laval sprauslu abrazīvajam nodilumam.
Militārajai raķešu degvielai to termiskā stabilitāte ir īpaši svarīga, pateicoties raķešu tehnoloģiju darbības plašajam temperatūras diapazonam. Tāpēc kriogēnā šķidrā degviela (skābeklis + petroleja un skābeklis + ūdeņradis) tika izmantota tikai starpkontinentālo ballistisko raķešu (R-7 un Titan) izstrādes sākumposmā, kā arī atkārtoti lietojamu kosmosa transportlīdzekļu nesējraķetēm (Space Shuttle un Energia) paredzēts satelītu un kosmosa ieroču palaišanai zemas zemes orbītā.
Pašlaik militārajā jomā tiek izmantota tikai šķidrā degviela ar augstu viršanas temperatūru, kuras pamatā ir slāpekļa tetroksīds (AT, oksidētājs) un asimetrisks dimetilhidrazīns (UDMH, degviela). Šī degvielas pāra termisko stabilitāti nosaka AT viršanas temperatūra (+ 21 ° C), kas ierobežo šīs degvielas izmantošanu raķetēm termostatētos apstākļos ICBM un SLBM raķešu tvertnēs. Sakarā ar sastāvdaļu agresivitāti to ražošanas un raķešu tanku ekspluatācijas tehnoloģija piederēja / pieder tikai vienai pasaules valstij - PSRS / RF (ICBM "Voevoda" un "Sarmat", SLBM "Sineva" un " Laineris "). Izņēmuma kārtā AT + NDMG tiek izmantots kā degviela lidmašīnu kruīza raķetēm Kh-22 Tempest, taču zemes ekspluatācijas problēmu dēļ Kh-22 un to nākamās paaudzes Kh-32 plānots aizstāt ar reaktīvo dzinēju Cirkona spārnotās raķetes, kurās kā degvielu izmanto petroleju.
Cietā kurināmā termisko stabilitāti galvenokārt nosaka atbilstošās šķīdinātāja un polimēru saistvielas īpašības. Ballistisko degvielu sastāvā šķīdinātājs ir nitroglicerīns, kuram cietā šķīdumā ar nitrocelulozi ir temperatūras diapazons no mīnus līdz plus 50 ° C. Jauktajā degvielā kā polimēru saistviela tiek izmantotas dažādas sintētiskās gumijas ar tādu pašu darba temperatūras diapazonu. Tomēr cietā kurināmā galveno sastāvdaļu (amonija dinitramīds + 97 ° C, alumīnija hidrīds + 105 ° C, nitroceluloze + 160 ° C, amonija perhlorāts un HMX + 200 ° C) termiskā stabilitāte ievērojami pārsniedz zināmo saistvielu līdzīgo īpašību., un tāpēc ir aktuāli meklēt viņu jaunās kompozīcijas.
Ķīmiski visstabilākais degvielas pāris ir AT + UDMG, jo tam ir izstrādāta unikāla vietējā tehnoloģija - ampulizēta uzglabāšana alumīnija tvertnēs zem neliela slāpekļa pārspiediena gandrīz neierobežotu laiku. Visas cietās degvielas laika gaitā ķīmiski noārdās polimēru un to tehnoloģisko šķīdinātāju spontānas sadalīšanās dēļ, pēc tam oligomēri nonāk ķīmiskās reakcijās ar citām, stabilākām degvielas sastāvdaļām. Tāpēc cietā propelenta pārbaudītāji regulāri jāmaina.
Raķešu degvielas bioloģiski toksiskā sastāvdaļa ir UDMH, kas ietekmē centrālo nervu sistēmu, acu gļotādu un cilvēka gremošanas traktu un provocē vēzi. Šajā sakarā darbs ar UDMH tiek veikts, izolējot ķīmiskās aizsardzības tērpus, izmantojot autonomu elpošanas aparātu.
Degvielas blīvuma vērtība tieši ietekmē LPRE degvielas tvertņu un cietā propelenta raķešu korpusa masu: jo lielāks blīvums, jo mazāka raķetes parazītiskā masa. Ūdeņraža un skābekļa degvielas pāra zemākais blīvums ir 0,34 g / cu. cm, petrolejas + skābekļa pāra blīvums ir 1,09 g / kub. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / kub. cm, nitroceluloze + nitroglicerīns - 1,62 g / kub. cm, alumīnijs / alumīnija hidrīds + perhlorāts / amonija dinitramīds - 1,7 g / cm3, HMX + amonija perhlorāts - 1,9 g / cc. Šajā gadījumā jāpatur prātā, ka aksiālās sadegšanas cietā propelenta raķešu dzinējs, degvielas lādiņa blīvums ir aptuveni divas reizes mazāks nekā degvielas blīvums, ko izraisa degšanas kanāla zvaigžņveida sekcija. uzturēt nemainīgu spiedienu sadegšanas kamerā neatkarīgi no degvielas izdegšanas pakāpes. Tas pats attiecas uz ballistisko degvielu, kas tiek veidota kā jostu vai nūju komplekts, lai saīsinātu raķešu un raķešu degšanas laiku un paātrinājuma attālumu. Atšķirībā no tiem degvielas uzpildes blīvums cietā propelenta raķešu dzinējos, kuru degšana ir pabeigta, pamatojoties uz HMX, sakrīt ar tam noteikto maksimālo blīvumu.
Pēdējā no galvenajām raķešu degvielas īpašībām ir sadegšanas produktu dūmi, vizuāli atmaskojot raķešu un raķešu lidojumu. Šī īpašība ir raksturīga cietajam kurināmajam, kas satur alumīniju, kura oksīdi raķešu dzinēja sprauslā izplešanās laikā tiek kondensēti cietā stāvoklī. Tāpēc šīs degvielas tiek izmantotas ballistisko raķešu cietos propelentos, kuru trajektorijas aktīvā daļa atrodas ārpus ienaidnieka redzamības zonas. Lidmašīnu raķetes tiek darbinātas ar HMX un amonija perhlorāta degvielu, raķetes, granātas un prettanku raķetes - ar ballistisko degvielu.
Raķešu degvielas enerģija
Lai salīdzinātu dažādu veidu raķešu degvielas enerģijas iespējas, tām jānosaka salīdzināmi sadegšanas apstākļi spiediena veidā sadegšanas kamerā un raķešu dzinēja sprauslas izplešanās koeficients - piemēram, 150 atmosfēras un 300 reizes paplašināšana. Tad degvielas pāriem / tripletiem konkrētais impulss būs:
skābeklis + ūdeņradis - 4,4 km / s;
skābeklis + petroleja - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amonija dinitramīds + ūdeņraža hidrīds + HMX - 3,2 km / s;
amonija perhlorāts + alumīnijs + HMX - 3,1 km / s;
amonija perhlorāts + HMX - 2,9 km / s;
nitroceluloze + nitroglicerīns - 2,5 km / s.
Cietā degviela, kuras pamatā ir amonija dinitramīds, ir astoņdesmito gadu beigu vietējā ražošana, tā tika izmantota kā degviela raķešu RT-23 UTTKh un R-39 otrajā un trešajā stadijā, un enerģētiskās īpašības vēl nav pārspējušas labākie paraugi. ārvalstu degviela, kuras pamatā ir amonija perhlorāts un ko izmanto raķetēs Minuteman-3 un Trident-2. Amonija dinitramīds ir sprāgstviela, kas detonē pat no gaismas starojuma, tāpēc to ražo telpās, kuras apgaismo mazjaudas sarkanās lampas. Tehnoloģiskās grūtības neļāva uz tās pamata apgūt raķešu degvielas ražošanas procesu visā pasaulē, izņemot PSRS. Cita lieta, ka padomju tehnoloģija tika regulāri ieviesta tikai Pavlogradas ķīmiskajā rūpnīcā, kas atrodas Ukrainas PSR Dņepropetrovskas apgabalā, un tika zaudēta deviņdesmitajos gados pēc rūpnīcas pārveidošanas sadzīves ķīmijas ražošanai. Tomēr, spriežot pēc daudzsološo RS-26 "Rubezh" tipa ieroču taktiskajām un tehniskajām īpašībām, šī tehnoloģija Krievijā tika atjaunota 2010. gados.
Ļoti efektīva sastāva piemērs ir cietā raķešu kurināmā sastāvs no Krievijas patenta Nr. 2241693, kas pieder Federālā valsts vienotā uzņēmuma Permas rūpnīcai. CM. Kirovs :
oksidētājs - amonija dinitramīds, 58%;
degviela - alumīnija hidrīds, 27%;
plastifikators - nitroizobutiltrinitrātsglicerīns, 11, 25%;
saistviela - polibutadiēna nitrila gumija, 2, 25%;
cietinātājs - sērs, 1,49%;
degšanas stabilizators - īpaši smalks alumīnijs, 0,01%;
piedevas - ogleklis, lecitīns utt.
Raķešu degvielas attīstības perspektīvas
Galvenie šķidro raķešu degvielu attīstības virzieni ir (ieviešanas prioritātes secībā):
- pārdzesēta skābekļa izmantošana, lai palielinātu oksidētāja blīvumu;
- pāreja uz degvielas tvaiku skābekli + metānu, kura degošajai sastāvdaļai ir par 15% lielāka enerģija un 6 reizes labāka siltuma jauda nekā petrolejai, ņemot vērā faktu, ka alumīnija tvertnes ir sacietējušas šķidrā metāna temperatūrā;
- ozona pievienošana skābekļa sastāvam 24% līmenī, lai paaugstinātu oksidētāja viršanas temperatūru un enerģiju (liela daļa ozona ir sprādzienbīstama);
- tiksotropiskas (sabiezinātas) degvielas izmantošana, kuras sastāvdaļas satur pentaborāna, pentafluorīda, metālu vai to hidrīdu suspensijas.
Pārnēsājamais skābeklis jau tiek izmantots nesējraķetē Falcon 9; Krievijā un ASV tiek izstrādāti skābekļa un metāna degvielas raķešu dzinēji.
Cieto raķešu degvielas attīstības galvenais virziens ir pāreja uz aktīvām saistvielām, kas satur skābekli savās molekulās, kas uzlabo cieto propelentu oksidācijas līdzsvaru kopumā. Mūsdienīgs šāda saistvielas pašmāju paraugs ir polimēru sastāvs "Nika-M", kas ietver dinitrila dioksīda un butilēndiola poliēteruretāna cikliskās grupas, ko izstrādājis Valsts pētniecības institūts "Kristall" (Dzeržinska).
Vēl viens daudzsološs virziens ir izmantoto nitramīna sprāgstvielu klāsta paplašināšana, kurām ir augstāks skābekļa līdzsvars salīdzinājumā ar HMX (mīnus 22%). Pirmkārt, tie ir heksanitroheksazazaizurturtzitāns (Cl-20, skābekļa līdzsvars mīnus 10%) un oktanitrokubāns (nulles skābekļa bilance), kuru izredzes ir atkarīgas no to ražošanas izmaksu samazināšanas-pašlaik Cl-20 ir par lielumu dārgāks nekā HMX, oktonitrokubāns ir par kārtu dārgāks nekā Cl -divdesmit.
Papildus zināmo komponentu veidu uzlabošanai tiek veikti pētījumi arī polimēru savienojumu radīšanas virzienā, kuru molekulas sastāv tikai no slāpekļa atomiem, kas savienoti ar atsevišķām saitēm. Polimēra savienojuma sadalīšanās rezultātā karsējot slāpeklis veido vienkāršas divu atomu molekulas, kas savienotas ar trīskāršu saiti. Šajā gadījumā izdalītā enerģija divreiz pārsniedz nitramīna sprāgstvielu enerģiju. Pirmo reizi slāpekļa savienojumus ar dimantam līdzīgu kristāla režģi Krievijas un Vācijas zinātnieki ieguva 2009. gadā, veicot eksperimentus ar kopīgu izmēģinājuma iekārtu 1 miljona atmosfēras spiediena un 1725 ° C temperatūras ietekmē. Pašlaik tiek strādāts pie slāpekļa polimēru metastabilā stāvokļa sasniegšanas parastajā spiedienā un temperatūrā.
Augstāki slāpekļa oksīdi ir daudzsološi ķīmiski savienojumi, kas satur skābekli. Plaši pazīstamajam slāpekļa oksīdam V (plakana molekula, kas sastāv no diviem slāpekļa atomiem un pieciem skābekļa atomiem) nav praktiskas vērtības kā cietā kurināmā sastāvdaļai zemās kušanas temperatūras (32 ° C) dēļ. Pētījumus šajā virzienā veic, meklējot metodi slāpekļa oksīda VI (tetra-slāpekļa heksaoksīda) sintēzei, kuras pamatmolekulai ir tetraedra forma, kuras virsotnēs ir piesaistīti četri slāpekļa atomi seši skābekļa atomi, kas atrodas tetraedra malās. Pilnīga starpatomu saišu slēgšana slāpekļa oksīda VI molekulā ļauj paredzēt tai paaugstinātu termisko stabilitāti, līdzīgi kā urotropīnam. Slāpekļa oksīda VI skābekļa līdzsvars (plus 63%) ļauj ievērojami palielināt tādu augstas enerģijas sastāvdaļu īpatnējo svaru kā metāli, metāla hidrīdi, nitramīni un ogļūdeņražu polimēri cieto raķešu degvielā.
