Как называется ракетное топливо: РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО | это… Что такое РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО?

Содержание

Что является топливом космического корабля?

Основным топливом, используемым в ракетах и ​​спутниках, являются гидразин, являющийся горючим, и четырехокись азота, вещество, вызывающее реакцию горения.

Все современные космические корабли используют для запуска химические ракеты (жидкостные или твердотопливные ракеты), хотя некоторые (такие как Pegasus Rocket и SpaceShipOne) использовали на первой ступени двигатели, потребляющие атмосферный кислород.

«Вояджер-1» — самый быстрый из когда-либо построенных космических аппаратов, он может развивать скорость 77,3 км/с (278 280 км/ч) или 0,0257% скорости света (относительно Земли), так как скорость света соответствует 1 079 252 848,8 км/ч.

Те, которые обычно используются в космической промышленности, используют гидразин и четырехокись азота. По словам ответственного за проект, доктора физической химии Рикардо Виейры, килограмм топлива, произведенного ими в лаборатории, стоит 35 реалов, а то, которое в настоящее время используется в спутниках и ракетах, стоит 1 реалов.

Твердотопливный ракетный двигатель состоит из аэродинамического корпуса на конце, сопла, метательного заряда (гранулы) и воспламенителя. Зерно ведет себя как твердая масса, которая горит предсказуемым образом и выделяет дымовые газы.

Авиационный керосин, также известный под аббревиатурой QAV-1, представляет собой топливо, используемое в самолетах и ​​вертолетах, оснащенных газотурбинными двигателями, такими как чисто реактивные, турбовинтовые или турбовентиляторные.

Чистый водород пока не используется в качестве топлива. Его можно получить непосредственно из воды путем электролиза, но почти весь используемый в настоящее время водород получается в результате паровой трансформации метана или газификации угля.

Да и расход будет намного меньше: 36000 литров топлива. В Кабу-Фрио всего две служебные машины на 12 советников, но и топливная квота высока: 57600 XNUMX литров».

Ракета состоит из конструкции, реактивного двигателя и полезной нагрузки. Конструкция служит для размещения баков топлива и окислителя (окислителя) и полезной нагрузки.

Сила по направлению движения (тяга), действующая на ракету, возникает потому, что горение топлива внутри нее оказывает огромное давление на стенки камеры сгорания, кроме отверстия, через которое выходят газы, расположенного в ее части потом.

Солнечный зонд Parker, принадлежащий НАСА, совершил еще один великий подвиг, который показывает, насколько высок технологический прогресс. Космический корабль развил невероятную скорость 393 XNUMX км/ч, что сделало его самым быстрым объектом, когда-либо созданным человеком.

Зонд пролетел мимо Плутона 14 июля 2015 года, после девяти с половиной лет межпланетного путешествия, достигнув ближайшей точки к поверхности планеты, примерно в 12 500 км, в 12:49 UTC на скорости 45 000 км/ч.

Одно различие между варп-двигателем (или варп-двигателем) и гиперпространством заключается в том, что, в отличие от гиперпространства, корабль не входит в другую вселенную или измерение, он создает вокруг себя небольшой «пузырь» нормального пространства-времени.
…
Расчет варп-двигателя.

Ракетное топливо Википедия

Раке́тное то́пливо — вещества, используемые в ракетных двигателях различных конструкций для получения тяги и ускорения ракеты посредством энергии химической реакции (горения).

Не следует путать ракетное топливо с рабочим телом нехимических ракетных двигателей, например ядерных или электрических.

Содержание

  • 1 Понятие
  • 2 Группы (основные типы)
  • 3 Типы
    • 3.1 Химические ракетные топлива
    • 3.2 Окислители для жидких видов топлива
    • 3.3 Свободные радикалы
    • 3.4 Ядерные топлива
  • 4 Топливо космических ракет и аппаратов
  • 5 Примечания
  • 6 Литература
  • 7 Ссылки

Понятие[ | ]

Ракетное топливо — одно или более высокоэнергетических веществ питания ракетного двигателя для создания им тяги. С развитием ракетной техники идет развитие новых видов ракетных двигателей, например, ядерных ракетных двигателей. Ракетное топливо может быть химическим (жидким и твёрдым), ядерным, термоядерным.

Жидкое химическое ракетное топливо состоит из двух компонентов: окислителя и горючего, которые находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках. Смешивание их происходит в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, обычно с помощью форсунок. Давление компонентов топлива создается за счет работы турбонасосной или вытеснительной системы, в работе которых также могут участвовать компоненты топливной пары. Кроме того, компоненты топлива используются для охлаждения сопла жидкостного ракетного двигателя. Жидкие ракетные топлива делятся на высококипящие, то есть находящиеся в жидком состоянии при температуре выше 298К (24,85 °C), и низкокипящие, которые для хранения и использования нужно охлаждать ниже 298К[1]. Низкокипящие топлива, хотя бы один из компонентов которого должен находиться при температуре ниже 120К (−153,15 °C) называются криогенными[2].

Также применяются так называемые ракетные монотоплива, в которых и окислителем и восстановителем является одно и то же вещество. При работе ракетного двигателя на монотопливе происходит химическая реакция самоокисления-самовосстановления с участием катализаторов, либо двигатель работает только за счёт фазового перехода вещества монотоплива, например из жидкого состояния в газообразное.

Твёрдое ракетное топливо тоже состоит из окислителя и горючего, но они находятся в виде смеси твёрдых веществ.

Группы (основные типы)[ | ]

Ракетное топливо в достаточно условной мере может быть разделено на различные группы; в качестве основных групп обычно рассматриваются следующие:

  • Электрореактивные: электроэнергия и рабочие тела.
  • Ядерные: ядерное деление, синтез, распад изотопов.
  • Химические: химические реакции, реакции рекомбинации свободных радикалов.
  • Физические: потенциальная энергия сжатых газов.

Типы[ | ]

Химические ракетные топлива[ | ]
  • Твёрдые.
    • Нитроцеллюлоза
    • Нитроглицерин, динитрогликоль и другие труднолетучие растворители
    • Чёрный порох
    • Карамельное ракетное топливо
    • Смесевое ракетное топливо
    • Металлы как горючее
    • Карбиды, нитриды, органические азиды и амиды металлов
    • Гидриды металлов
    • Сложные гидриды
    • Перхлораты металлов
  • Жидкие:
    • Нитрометан
    • Изопропилнитрат
    • Керосин
    • Нафтил
    • Перекись водорода
    • Гидразин и его производные, метилгидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил)
    • Металлоорганические соединения
    • Органические амины
    • Спирты
    • Нефтепродукты
    • Углеводороды
    • Простые эфиры
    • Растворы металлов
    • Бороводороды
    • Водород
    • Метан сжиженный
Окислители для жидких видов топлива[ | ]
    • Фтор
    • Кислород
    • Озон
    • Фториды кислорода
    • Неорганические фториды азота
    • Фториды галогенов
    • Перхлорилфторид
    • Оксиды азота
    • Азотнокислотные окислители
    • Перекись водорода
    • Соединения инертных газов
    • Пероксиды, надпероксиды и неорганические озониды
    • Неорганические нитраты
    • Органические нитросоединения и эфиры азотной кислоты (алкилнитраты)
    • Хлорная кислота
    • Перхлораты неметаллов
    • Тетраоксид диазота (АТ, Амил)
  • Гелеобразное.
  • Гибридное.
Свободные радикалы[ | ]
  • Рабочие тела для электрореактивных двигателей.
Ядерные топлива[ | ]
  • Радиоизотопы.

Топливо космических ракет и аппаратов[ | ]

Вывод космических аппаратов за пределы земной атмосферы и разгон до орбитальных скоростей требует огромных энергозатрат. Используемые в настоящее время топлива и конструкционные материалы ракет обеспечивают соотношение масс на старте и на орбите не лучше 24:1. Поэтому масса космической ракеты на старте составляет сотни и даже тысячи тонн. Отрыв такой массы от стартового стола требует превосходящей реактивной тяги двигателей. Поэтому основное требование к топливу первой ступени ракет — возможность создания значительной тяги при приемлемых габаритах двигателя и запасах топлива. Тяга прямо пропорциональна удельному импульсу и массовому расходу топлива, то есть топлива с высоким удельным импульсом требуется меньше для вывода той же нагрузки на орбиту. Удельный импульс обратно пропорционален молекулярному весу продуктов горения, что означает низкую плотность высокоэффективного топлива и, соответственно, значительный объём и вес конструкции двигателя и топливной системы. Поэтому при выборе топлив ищут компромисс между весом конструкции и весом топлива. На одном конце этого выбора находится топливная пара жидкий водород+жидкий кислород с наивысшим удельным импульсом и низкой плотностью. На другом конце находится твёрдое топливо на основе перхлората аммония с низким удельным импульсом, но высокой плотностью.

Помимо энергетических возможностей топлива, учитываются и другие факторы. Неустойчивость горения топлив может приводить к отказам или взрывам двигателей. Высокая температура горения и состав продуктов сгорания топлив предъявляют повышенные требования к конструированию, материалам и технологии двигателей.

Криогенные топлива утяжеляют ракету теплоизоляцией, сужают выбор конструкционных материалов до хладостойких, усложняют проектирование и отработку. Поэтому на заре космической эры получили широкое распространение топлива, один или оба компонента которых не были криогенными: это топлива керосин + жидкий кислород и т. н. «вонючие» топлива, в которых качестве горючего использовались гидразин и его простейшие производные (ММГ, НДМГ), а окислителем были тетроксид азота или азотная кислота. Эти топлива имеют вполне приемлемые характеристики, поэтому широко используются и в наше время.

Помимо технических факторов важны экономические, исторические и социальные. Криогенные топлива требуют дорогой сложной специфической инфраструктуры космодрома для получения и хранения криогенных материалов, таких как жидкие кислород и водород. Высокотоксичные топлива, такие как НДМГ, создают экологические риски для персонала и мест падения ступеней ракет, экономические риски последствий заражения территорий при аварийных ситуациях.

В ракетах для запуска космических аппаратов в настоящее время, как правило, используются четыре вида топлива:

  • Керосин + жидкий кислород. Популярное, дешёвое топливо с великолепно развитой топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность, хорошую плотность. Лучшие двигатели обеспечивают удельный импульс (УИ) немногим выше 300 секунд при атмосферном давлении и около 335 секунд в вакууме. Используется в: РД-107А (РН «Союз-2.1б»), РД-180 (РН «Атлас-5»), РД-191 (РН «Ангара»), Мерлин (РН Falcon 9) и др.
  • Несимметричный диметилгидразин («гептил») или монометилгидразин + тетраоксид азота («амил»). Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость топливной пары, относительная простота топливной арматуры, лёгкость хранения, хорошие плотность и энергетические характеристики предопределили его широкое распространение. Сегодня предпринимаются усилия по отказу от НДМГ. Возможность долговременного хранения пока не оставляет альтернативы этому топливу для двигателей многократного включения, используемых при орбитальном маневрировании космических аппаратов. УИ приближается к кислород-керосиновой паре. Используется в: РД-276 (РН «Протон»).
  • Жидкий водород + жидкий кислород (LOX/Lh3). Очень низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения жидкого водорода ставят под сомнение эффективность использования этого топлива в первой ступени ракет. Широко используется в верхних ступенях ракет-носителей, где приоритет тяги уменьшается, а цена массы растёт. Имеет великолепную экологичность. УИ лучших двигателей на уровне моря свыше 350 секунд, в вакууме — 450 секунд. Используется в: RS-25 (РН SLS, Спейс шаттл), Vulcain (РН «Ариан-5»), LE-7A[en] (РН H-IIB) и др.
  • Смесевое твёрдое ракетное топливо на основе перхлората аммония. Дорогое топливо, требует высокой культуры производства. Широко используется в западном ракетостроении на первых ступенях (ускорителях) ракет благодаря своей высокой плотности, лёгкости получения значительной тяги и простоте конструкции твердотопливных двигателей. Из четырёх перечисленных топлив имеет самый экологически грязный состав продуктов сгорания. Типовой УИ — 250 секунд. Используется в боковых ускорителях МТКК Спейс шаттл, РН SLS, РН «Ариан-5» и др.

В настоящее время ведутся работы по внедрению перспективного криогенного топлива жидкий метан + жидкий кислород. Очень дешёвое топливо, по остальным характеристикам занимает промежуточное положение между топливными парами керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород. Используется в: BE-4 (РН Vulcan, New Glenn), Raptor (SpaceX Starship) и др.

Примечания[ | ]

  1. ↑ Ракетное топливо (РТ) (рус.). Энциклопедия РВСН. МО РФ. Дата обращения: 11 июня 2021. Архивировано 11 июня 2021 года.
  2. ↑ Космонавтика:Энциклопедия, 1985, Криогенное ракетное топливо, с. 209.

Литература[ | ]

  • Космонавтика: Энциклопедия (рус.) / Гл. ред. В. П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, К. Д. Бушуев, В. С. Верещетин и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1985. — 528 с.

Ссылки[ | ]

  • Космонавтика. История. Глава 2 (1901—1956)
  • NASA page on propellants
  • Rocket Propellants // braeunig.us

Что такое твердое ракетное топливо?

В последнее время часто сравнивают и обсуждают такие виды топлива, как RP-1, водород и метан. Однако твердое ракетное топливо является самой старой формой ракетного топлива и до сих пор является неотъемлемой частью многих современных орбитальных ракет.

Твердое ракетное топливо представляет собой ракетное топливо, в котором топливо и окислитель смешиваются и объединяются со связующим для образования твердого соединения, напоминающего резину. При производстве он помещается в корпус ракетного ускорителя, что упрощает его транспортировку и хранение при комнатной температуре.

За столетия до появления жидкого топлива или идеи запуска ракеты в космос уже использовались твердотопливные ракеты. Китайская династия Сун использовала «огненные стрелы», содержащие порох в качестве топлива, во время конфликтов с монголами еще в 1232 году. . Большинство современных орбитальных ракет-носителей в основном используют жидкое топливо, но твердотопливные ракетные ускорители по-прежнему играют решающую роль.

На самом деле, космический челнок никогда бы не смог взлететь и выйти на орбиту без помощи своих двух твердотопливных ракетных ускорителей, а современной ракете-носителю Arianne 5 также нужна пара твердотопливных ускорителей для помощи ее основному водороду. Двигатель в космосе.

Два твердотопливных ускорителя космического корабля «Шаттл» позволили космическому кораблю, работающему на водороде, выйти на орбиту.

Как будет показано в следующих разделах, это топливо имеет множество преимуществ по сравнению с его жидкими аналогами, но также и некоторые серьезные недостатки. Однако сначала необходимо определить, что такое твердое ракетное топливо и как оно производится.

Что такое твердое ракетное топливо?

Твердое ракетное топливо представляет собой ракетное топливо, в котором топливо и окислитель смешиваются и соединяются со связующим с образованием твердого соединения, напоминающего резину на ощупь. При изготовлении он соединяется с корпусом ракеты, что упрощает его транспортировку и хранение при комнатной температуре.

Различные химические соединения, выбранные для смеси, выбираются в зависимости от предполагаемого использования твердотопливного ускорителя и необходимой величины тяги. Однако во всех случаях готовое резиноподобное топливо должно содержать горючий и окислительный компоненты.

Типичная смесь (как и в случае с твердотопливными ускорителями, которые приводили в действие космический шаттл) будет использовать перхлорат аммония в качестве окислителя, алюминиевый порошок в качестве топлива и полибутадиен-акрилонитрил (PBAN) в качестве связующего.

Это лишь одна из множества комбинаций, которые можно использовать для создания желаемой топливной смеси. Также могут быть добавлены дополнительные соединения, такие как оксид железа (в качестве катализатора) , отвердители эпоксидных смол и другие вещества, необходимые для конкретного применения.

Твердое ракетное топливо формуется перед окончательным схватыванием после заливки между корпусом и формой в центре.

Существует два основных типа твердого ракетного топлива, а именно:

  • Гомогенные смеси
  • Композиты

Гомогенные смеси могут быть одно-, двух- или трехосновными смесями, в зависимости от количества первичных ингредиентов. Микроскопически маленькие ингредиенты смешиваются в виде жидкости со связующими и отвердителями и превращаются в твердое соединение.

Типичные типы топлива для гомогенных смесей включают гексоген и нитроцеллюлозу. RDX действует как топливо и окислитель, а нитроцеллюлоза действует как топливо, окислитель и структурный полимер.

Композиты обычно состоят из топливных частиц, таких как порошкообразный алюминий или бериллий, смешанных с твердыми гранулами окислителя, такими как перхлорат аммония или нитрат калия. Также добавляются связующие и отвердители, и смесь затвердевает. Топливо является частью топлива и нуждается в окислителе для сгорания. Поскольку твердое ракетное топливо содержит как горючее, так и окислитель, в оставшейся части этой статьи оно будет называться «топливо».

Производство твердого ракетного топлива

Производство твердого ракетного топлива, обычно используемого в орбитальных ракетах-носителях, начинается с корпуса ракеты. В больших твердотопливных ракетных ускорителях твердое топливо смешивается и отверждается в различных сегментах корпуса, из которых состоит ускоритель.

(Твердотопливные ускорители космического корабля «Шаттл» были изготовлены в виде четырех сегментов, а новые ускорители, являющиеся частью системы космического запуска для программы NASA Artemis, состоят из пяти сегментов.)

Прежде чем топливо можно будет смешать внутри корпуса, сам корпус необходимо защитить от чрезвычайно высоких температур, возникающих в процессе сгорания. Это делается путем добавления слоя изоляционного материала толщиной около 2 дюймов на внутреннюю сторону корпуса.

Форма (которая образует отверстие, которое проходит по всей длине ракеты и действует как камера сгорания ракеты) опускается по центру цилиндрического корпуса. Затем влажную топливную смесь заливают между корпусом и формой и дают высохнуть и застыть.

Отверстие в середине ракетного топлива называется перфорацией, форма которой также определяет скорость горения и, как следствие, величину тяги, которую ускоритель может создать в определенных точках во время подъема ракеты.

После изготовления различные сегменты ракеты-носителя отправляются в соответствующее место запуска, где они объединяются на сборочном предприятии.

Преимущества использования твердого ракетного топлива для орбитальных ракет

Твердое ракетное топливо обладает некоторыми ключевыми преимуществами, но также и рядом недостатков по сравнению с их жидкими аналогами. Некоторые из основных преимуществ использования твердого ракетного топлива включают:

  1. Удобство транспортировки и хранения
  2. Простота и надежность
  3. Хранение при комнатной температуре
  4. Превосходная тяга благодаря высокой плотности
  5. Двигатели менее сложные, чем жидкостные эквиваленты
1) Простота транспортировки и обращения

С жидким топливом необходимо обращаться с особой осторожностью, поскольку оно легко воспламеняется, иногда чрезвычайно токсично, а в случае криогенного топлива требуется специальная изоляция и охлаждение при транспортировке.

Различные сегменты твердотопливной ракеты можно легко и безопасно транспортировать по дороге.

(Например, жидкий водород необходимо охладить до температуры ниже -253° по Цельсию или -423° по Фаренгейту, чтобы он оставался жидким. Узнайте больше о жидком водороде, что это такое, а также о различных преимуществах и недостатках этого топливо в этой статье.)

С другой стороны, твердое ракетное топливо становится очень стабильным после того, как оно превратилось в твердое вещество и затвердело внутри своих оболочек. Он не воспламеняется легко, не выделяет токсичных паров и из-за своей твердой природы не может пролиться или протекать.

Все эти характеристики делают твердое ракетное топливо намного более безопасным и простым в обращении и транспортировке, чем любой другой тип ракетного топлива.

2) Простота и надежность

Из раздела, объясняющего, как производится твердое ракетное топливо, становится ясно, что его производство не так просто, но все же намного проще, чем производство большинства видов жидкого топлива.

Топливо РП-1, например, представляет собой очень очищенную форму керосина. После того, как сырая нефть была извлечена из земли, топливо все еще должно пройти многочисленные этапы на перерабатывающих заводах, чтобы удалить все нежелательные вещества, увеличить его плотность и сделать его более энергичным.

(Узнайте больше о топливе РП-1, его различных преимуществах и недостатках в этой статье.)

Сжигание топлива также является гораздо более простым процессом. Это почти так же просто, как активировать двигатель воспламенения, расположенный в передней части твердотопливного ускорителя, а твердое топливо просто горит и продолжает гореть, пока не будет израсходовано все топливо.

Это резко контрастирует с ракетами на жидком топливе, где баки и камеры сгорания должны быть охлаждены и герметизированы перед запуском, турбонасосы зажигаются и раскручиваются, а поток топлива контролируется на протяжении всего запуска.

В результате относительно простой конструкции и процесса сгорания твердое ракетное топливо также сгорает и сгорает более надежно, чем жидкое топливо.

(Это также одна из основных причин, почему он так популярен и широко используется в военных целях, где твердотопливные ракеты и баллистические ракеты могут храниться годами и надежно использоваться в любой момент.)

3 ) Хранение при комнатной температуре

Другим огромным преимуществом твердого ракетного топлива, помимо простоты и удобства использования, является то, что его можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени, иногда до десятилетий.

Твердотопливные ракетные ускорители можно безопасно хранить при комнатной температуре до окончательной сборки.

Это увеличивает его привлекательность для использования в военных целях, как обсуждалось в предыдущем разделе. Это также делает его очень полезным «готовым» вариантом в качестве твердотельных накладных ускорителей, которые можно хранить в течение длительного времени и прикреплять к орбитальным ракетам-носителям, если требуется дополнительная тяга.

(Узнайте больше о накладных бустерах, их преимуществах и недостатках в этой статье. )

4) Превосходная тяга благодаря высокой плотности

Одним из Святых Граалей в современных космических полетах является удельный импульс, измерение того, насколько эффективно ракета сжигает свое топливо. По сути, это эквивалент автомобильных «миль на галлон» и измеряется в секундах.

Из всех основных видов топлива в настоящее время наиболее эффективным является жидкий водород, за ним следуют жидкий метан и топливо РП-1. Твердое ракетное топливо не может сравниться со своими жидкими аналогами, когда речь идет об эффективности использования топлива, но у него есть еще одно огромное преимущество.

Из-за высокой плотности твердого топлива оно более энергично и, как следствие, обеспечивает большую тягу (или чистую мощность) , чем жидкое топливо аналогичного размера. Это делает их очень привлекательным выбором для запуска большой орбитальной ракеты в космос.

Как правило, более 85% массы ракеты состоит из топлива, подавляющее большинство которого используется просто для того, чтобы запустить ракету-носитель через плотную атмосферу Земли, борясь с ее сильной силой гравитации.

Для этого не так важна топливная экономичность, как тяга, поэтому водород в основном используется в верхних ступенях орбитальных ракет, когда аппарат уже преодолел самую плотную часть атмосферы и набрал достаточную скорость, чтобы вырваться из гравитация планеты.

Чтобы помочь транспортным средствам создать достаточную тягу для успешного вывода тяжелой ракеты-носителя на орбиту, часто используются твердотопливные ракетные топлива. Они обеспечивают простое, относительно дешевое и надежное средство обеспечения необходимой тяги.

Даже если жидкостное топливо ракеты-носителя имеет достаточную тягу, чтобы поднять ее на орбиту, как ракета Atlas V с топливом RP-1, гораздо более тяжелая полезная нагрузка или требуемая орбита могут выйти за пределы возможностей ракеты-носителя. Добавление ряда твердотопливных ракет помогает ракете преодолеть это препятствие.

(Некоторые ракеты-носители, такие как «Спейс Шаттл» и ракеты «Ариан-5», не могли даже оторваться от соответствующих стартовых площадок без помощи твердотопливных ускорителей, которые обеспечивали необходимую тягу. )

5) Менее сложные двигатели, чем жидкостные эквиваленты

Жидкостные ракетные двигатели сложны и требуют отдельных баков для топлива и окислителя, дополнительного оборудования для поддержания давления в топливопроводах и баках, газогенераторов (или форсажных установок) для обеспечения достаточного расхода топлива , & турбонасосы для сжигания под давлением.

В противоположность этому, твердотопливная ракета в основном состоит из корпуса, носового обтекателя, сопла и порохового заряда внутри с проходящим через него отверстием, которое также действует как камера сгорания. Он наглядно иллюстрирует, насколько проще конструкция твердотопливной ракеты.

Как указывалось ранее, благодаря относительно простой конструкции твердотопливные ракеты проще и дешевле в производстве, более надежны, поскольку почти не имеют движущихся частей, а в процессе горения задействовано меньше процессов, а значит, гораздо меньше пойти не так.

Недостатки использования твердого ракетного топлива для орбитальных ракет

Несмотря на преимущества твердого ракетного топлива, у него также есть несколько серьезных недостатков, которые не позволяют использовать его в качестве основного двигателя большинства орбитальных ракет. К наиболее заметным недостаткам использования твердого ракетного топлива относятся:

  1. Невозможно выключить или перезапустить
  2. Нет управления тягой
  3. Удельный импульс ниже, чем у жидких ракетных топлив
  4. Сокращение времени горения
  5. Сопло с ограниченными средствами охлаждения
  6. Грязные выхлопные трубы
1) Нельзя останавливать или перезапускать

Если твердотопливная ракета загорелась, ее нельзя выключить. Сгорание продолжается до тех пор, пока не будет израсходовано все топливо, и ракета-носитель не будет выброшена из остальной части ракеты-носителя. По сути, это означает, что ракета может быть использована только один раз и не может быть перезапущена на более позднем этапе.

Именно здесь жидкостные ракеты имеют значительное преимущество, поскольку они полностью контролируют расход топлива, что позволяет им выключать двигатели и перезапускать их в любой момент, независимо от того, является ли это частью исходной программы или в случае аварии. чрезвычайное происшествие.

2) Нет управления тягой

Другим недостатком, тесно связанным с невозможностью выключения или перезапуска, является тот факт, что твердотопливные ракеты также не могут замедляться или ускоряться. Другими словами, он практически не имеет контроля над тягой.

(Изменяя форму пресс-формы в процессе производства, что изменит форму отверстия/камеры сгорания в центре ракеты, инженеры могут влиять на скорость горения, что может позволить машине производить больше или меньше тяги в определенных точках.)

Это серьезный недостаток, поскольку для ракеты-носителя крайне важно контролировать свою тягу. В течение периода, называемого Max Q (когда на транспортное средство действует максимальное количество динамических сил) , транспортное средство должно уменьшить тягу, чтобы свести к минимуму эти нагрузки, прежде чем снова включить питание.

Твердотопливные ускорители ракеты Arianne 5 не могут увеличивать или уменьшать тягу.

Точно так же перед отделением ступени ракете также необходимо уменьшить тягу, чтобы обеспечить плавное разделение и дать возможность первой ступени отпасть перед воспламенением второй ступени. Это обеспечивает безопасное зажигание второй ступени без опасности помех первой ступени.

(Вы можете узнать больше о ступенях ракет, что это такое и почему это так важно для всех орбитальных ракет-носителей в этой статье.)

3) Более низкий удельный импульс, чем у жидкостных ракет

В разделе, посвященном превосходной тяге, была подчеркнута важность топливной эффективности орбитальной ракеты, известной как удельный импульс. И хотя твердое ракетное топливо обеспечивает превосходную тягу, оно просто не может сравниться с жидкостным топливом, когда речь идет о топливной экономичности.

Среди ваших жидких топлив водород остается самым экономичным топливом даже после более чем полувекового использования. За ним следует жидкий метан, а затем топливо РП-1, причем последнее в основном используется на первых ступенях ракет-носителей.

(Жидкий метан в настоящее время разрабатывается в качестве топлива как для первой, так и для разгонной ступени орбитальных ракет, таких как Starship SpaceX, из-за его универсальности и возможности производства за пределами планеты. Узнайте больше об этом топливе, его преимуществах и недостатках в этом ст.)

Из-за более низкого удельного импульса твердое ракетное топливо в основном используется в первой части запуска, когда тяга имеет решающее значение, хотя некоторые транспортные средства используют твердое ракетное топливо на своих верхних ступенях, например спутники, которые обычно используйте его, чтобы разместить их на более высокой орбите.

4) Более короткое время горения

Благодаря своей высокой плотности и высокой энергии твердое ракетное топливо сгорает очень быстро, в результате чего время горения намного меньше, чем у жидкостной ракеты того же размера.

Хотя это очень полезно для очень быстрого вывода орбитальной ракеты со стартовой площадки, обычно для выхода на требуемую орбиту ее необходимо соединить с другим топливом длительного горения или разгонным блоком с высоким удельным импульсом, таким как жидкий водород.

5) Сопло с ограниченными средствами охлаждения

Температура внутри жидкостного ракетного двигателя может достигать 3 300° по Цельсию (6 000° по Фаренгейту) , что достаточно для плавления большинства металлов. Внутри твердотопливных ракетных двигателей, таких как те, что используются в космических шаттлах и системе SLS, они достигают одинаковых температур.

В ракетных двигателях на жидком топливе используются различные методы охлаждения двигателей и сопел. Один из наиболее широко используемых методов называется регенеративным охлаждением, при котором криогенное топливо прокачивается по каналам в стенках двигателя и сопла, что предотвращает их расплавление.

Однако из-за особенностей топлива твердотопливная ракета не может использовать этот метод. В результате в большинстве твердотопливных ракетных ускорителей используется метод, называемый абляционным охлаждением, при котором на стенки сопла наносится слой материала, предназначенного для эрозии и выгорания.

Сопла твердотопливных ускорителей космического корабля «Шаттл» должны были охлаждаться за счет абляционного охлаждения.

При нагревании сопла абляционный материал сгорает, унося с собой большую часть тепла. Хотя это эффективно, это означает, что срок службы сопла ограничен, а ремонт бывшей в употреблении твердотопливной ракеты требует капитального ремонта сопла ракеты.

(Узнайте больше о различных методах охлаждения ракетных двигателей и предотвращения их плавления в этой статье.)

6) Грязные выхлопные трубы

приоритет для космической отрасли. Усилия по сокращению выбросов углерода и других парниковых газов, которые способствуют глобальному потеплению, не обошли вниманием и этот сектор технологий.

Топливо, такое как жидкий метан и жидкий водород, активно продвигается из-за его чистых характеристик горения с минимальным содержанием вредных соединений в выхлопных газах. (Водород не производит ничего, кроме воды в своих выхлопных шлейфах. )

К сожалению, при сгорании твердого ракетного топлива образуются самые грязные выхлопные газы из всех видов ракетного топлива. Его выхлопные шлейфы содержат углекислый газ, сажу, серу, оксиды алюминия и азота, а также хлористый водород.

(Большие выхлопные шлейфы, которые были видны позади космического корабля «Шаттл», когда он поднимался в небо, были созданы двумя его большими твердотопливными ракетными ускорителями.)

Заключение

Твердое ракетное топливо — старейшая форма топлива, использовавшаяся для приведения в движение ракет, датируемая 1232 годом. Некоторые утверждают, что это устаревшие уродства, которые лишь усугубляют загрязнение воздуха большим количеством двуокиси углерода, сажи, азота и оксиды алюминия в их выхлопных шлейфах.

Но, как показано в этой статье, они по-прежнему играют решающую роль в орбитальных ракетах-носителях. Их упрощенная конструкция, возможность длительного хранения при комнатной температуре и помощь ракетам на жидком топливе при выходе на орбиту делают их незаменимыми в обозримом будущем.

Керосиновое ракетное топливо — Американское историческое общество нефти и газа

 

Нефтепродукт 19 века сделал возможной высадку Америки на Луну в 1969 году. 16 июля 1969 года керосиновое ракетное топливо приводило в действие первую ступень Сатурна V миссии Аполлон-11.

Через четыре дня после того, как «Сатурн-5» запустил «Аполлон-11», астронавт Нил Армстронг объявил: «Хьюстон, здесь База Спокойствия. Орел приземлился.» Его историческое достижение основывалось на новых технологиях и тоннах топлива, впервые переработанных для ламп канадцем в 1848 году.0003

Оснащенная пятью двигателями первой ступени, работающими на керосине «ракетного класса», «Сатурн-5» остается самой высокой, самой тяжелой и самой мощной ракетой из когда-либо созданных.

Во время запуска пять двигателей Rocketdyne F-1 массивной первой ступени Saturn V сжигают «керосин ракетного топлива» со скоростью 2230 галлонов в секунду, создавая почти восемь миллионов фунтов тяги.

Двигатели F-1 первой ступени Saturn V в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле, штат Алабама. Фотографии предоставлены НАСА.

Ракетным топливом для Сатурна является керосин высокой степени очистки RP-1 (Ракетное топливо-1 или очищенная нефть-1), который, хотя и соответствует строгим техническим характеристикам, по сути является тем же «угольным маслом», изобретенным в середине 19 века.

Канадский врач и геолог Авраам Геснер начал очищать топливо для освещения из угля в 1846 году. «Я изобрел и открыл новое и полезное производство или состав вещества, являющегося новым жидким углеводородом, который я называю керосином», — отметил он в своем патент.

Отец американской ракетной техники Роберт Годдард в 1926 году использовал бензин для заправки первой в мире ракеты на жидком топливе. Фото предоставлено Библиотекой Конгресса.

К 1850 году Геснер основал компанию, которая устанавливала освещение на улицах Галифакса, Новая Шотландия. В 1854 году он основал Североамериканскую керосиновую газовую компанию на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк.

Хотя он придумал термин керосин от греческого слова keros (воск), поскольку его жидкость была извлечена из угля, большинство потребителей называли ее «угольным маслом» так же часто, как и керосином.

Ко времени первой нефтяной скважины в США, пробуренной Эдвином Дрейком в 1859 году, ученый из Йельского университета (нанятый инвесторами скважины) сообщил, что нефть является идеальным источником для производства керосина, намного лучше, чем очищенный уголь. Спрос на керосин, полученный из нефти, запустил национальную разведку и добычу.

Несмотря на то, что электричество заменит керосиновые лампы, а бензин доминирует в 20-м веке в спросе на транспортное топливо, керосин остается предпочтительным топливом для энергетики.

Гонщики на реактивных автомобилях

7 ноября 1965 года автогонщик из Калифорнии Арт Арфонс установил рекорд наземной скорости в 576,553 миль в час на соляных равнинах Бонневилля в Юте. Самодельный дрэг-рейсер Green Monster из Огайо работал на топливе JP-4 (смесь керосина и бензина 50:50) в турбореактивном двигателе F-104 Starfighter с форсажной камерой.

Смесь керосина и бензина привела в действие реактивный двигатель F-104 самолета Green Monster , поставивший мировые рекорды.

Натан Страус, построивший первый реактивный автомобиль в 1962 году, развил скорость более 330 миль в час на знаменитой полосе длиной в одну милю на своем Flying Caduceus. В его гонщике использовался двигатель General Electric J47, первоначально разработанный для реактивного истребителя North American F-86 Sabre. Арфон трижды устанавливал мировой рекорд наземной скорости в период с 1964 по 1965 год, что стало известно как «Бонневильские реактивные войны».

Рекордсмен Крейг Бридлав Spirit of America Sonic 1 в 1965 году использовал реактивный двигатель от F-4 Phantom II – победили Зеленого монстра и установили рекорд скорости 600,601 миль в час, который продержался до 1970 года, когда ракетный автомобиль Blue Flame, работающий на природном газе, разогнался до 630,388 миль в час.

Керосиновые ракеты

Легкость хранения и стабильные свойства керосина привлекли первых ученых-ракетчиков, таких как Роберт Х. Годдард из Америки и Вернер фон Браун из Германии. Во время Второй мировой войны керосин заправлял печально известные баллистические ракеты Фау-2 нацистской Германии.

Десятилетия послевоенных исследований и испытаний ракетных двигателей привели к созданию пяти двигателей Rocketdyne F-1 для Saturn V. По словам Дэвида Вудса, автора How Apollo Flyt to the Moon , 2008.

Двигатели Rocketdyne F-1 высотой 19 футов с соплами шириной около 12 футов оснащены топливными насосами, подающими 15 471 галлон RP-1 в минуту в их камеры тяги. Верхние ступени Saturn V сжигают легколетучий жидкий водород (и жидкий кислород на всех трех ступенях). Главный ускоритель с пятью двигателями вмещает 203 400 галлонов RP-1. После запуска двигатели могут опорожнить массивный топливный бак за 165 секунд.

Керосин заправлял Сатурн V — и новейшие современные ракетные двигатели. Фрагмент фотографии НАСА.

Посадка Аполлона-11 увенчала исследования жидкостного ракетного топлива в Америке, начиная с Годдарда и его «Ракетного аппарата» 1914 года, работающего на бензине. В марте 1926 года Годдард запустил первую в мире ракету на жидком топливе с фермы своей тети в Оберне, штат Массачусетс.

Хотя бензин будет заменен другими видами топлива, включая жидкий водород и жидкий кислород, используемые во внешнем баке космического корабля «Шаттл», керосин RP-1 по-прежнему служит топливом для космических полетов.

Дешевле, легко хранится при комнатной температуре и гораздо менее взрывоопасен, 19Нефтепродукт 19-го века сегодня служит топливом для ракет-носителей первой ступени Atlas, Delta II, Antares и новейших ракет SpaceX. Многоразовые ракеты SpaceX Falcon 9 оснащены девятью двигателями Merlin, работающими на керосине и развивающими 1,7 миллиона фунтов тяги.

В последний раз запущенная в 1972 году, ракета «Сатурн-5» остается самой мощной ракетой из когда-либо созданных.

_______________________

Рекомендуемое чтение:   Этапы до Сатурна: технологическая история ракет-носителей «Аполлон/Сатурн»  (2003 г.