Содержание
NASA испытает «зеленое» топливо для космических аппаратов. Дело не в заботе о природе
24 июня 2019, 09:22
Наука
Статья
При виде стартующей ракеты в голове крутятся разные мысли. От земли эта штуковина отрывается как-то натужно — того и гляди покосится и упадет. Раскрасить ее можно и поинтереснее, но спасибо, что на фюзеляже нет рекламы. А мы, люди, все-таки молодцы: приладили бочки к громадным трубам и запускаем внутри них всякую всячину в космос — это ведь надо было изловчиться. Что не приходит на ум, когда площадка космодрома скрывается в клубах дыма, так это горючее: вредное оно или нет, велик ли от него урон, кому из-за этого хуже всего. Но раз ученые, NASA и ракетостроители говорят о «зеленом» топливе, значит, обычное все же чем-то плохо.
Сам этот эпитет, «зеленое», напоминает о биодизеле из кукурузы и электричестве от ветряков и солнечных панелей, которые удовлетворяют наши потребности в энергии, но не разрушают природу так сильно, как уголь, нефть и газ.
Тогда и в космической ракете сначала видится что-то вроде движка автомобиля, только громадного, а потому намного более опасного для окружающей среды. Например, в американской ракете Atlas V почти 600 т топлива (в зависимости от конфигурации его может быть больше или меньше), сгорающего буквально на глазах. Этого хватило бы, чтобы на машине обогнуть Землю по экватору где-то 200 раз.
Вот только на свете ездит около 1 млрд автомобилей, а космические запуски бывают не чаще, чем выходные дни: порядка одной сотни в год. Но главное — ракеты в принципе почти не выбрасывают парниковые газы (именно растущие концентрации этих газов в атмосфере и вызванное этим изменение климата служат главным стимулом для развития «чистой» энергетики). Как космические запуски влияют на окружающую среду, вообще толком не понятно, а «зеленое» топливо ищут прежде всего затем, чтобы удешевить и упростить подготовку к полету.
Какое бывает топливо
Первый космический аппарат, советский «Спутник-1», был запущен в октябре 1957-го.
За прошедшие 62 года появились новые материалы с удивительными свойствами, производительность вычислительной техники выросла даже не в разы, а на порядки, спутники, зонды, орбитальные обсерватории позволили составить точнейшие карты планеты, разглядеть тела в Солнечной системе и саму Вселенную — и только ракеты, которые поднимают их с поверхности, почти не изменились.
Читайте также
Спутник один. История первого космического устройства
Ракетный двигатель — это по сути цилиндр с топливом. В нем ничего не вращается, как в автомобиле. Вместо этого газы, образующиеся из-за горения, просто вырываются струей наружу, а ракета из-за возникшей тяги летит в противоположном направлении. Но как «просто» — поток газов должен быть достаточно мощным, чтобы корабль преодолел притяжение планеты. К примеру, Atlas V, где основным двигателем служит российский РД-180, по тяге почти в 60 раз превосходит самолет Boeing 737-300. Добились этого благодаря конструкции — и топливу.
Ракетное топливо бывает твердое и жидкое.
Твердое замешивают и выпекают в специальной форме, как пирог, а по консистенции оно напоминает ластик. Его можно хранить годами, если не десятилетиями, поэтому заправлять ракету перед стартом не нужно, и подготовка к старту сравнительно легкая. Но есть и недостатки. Во-первых, жидкое топливо той же массы обычно дает бо́льшую тягу. Во-вторых, стоит зажечь твердое топливо — оно сгорит до конца, как петарда.
С жидким горючим процесс регулируется. Оно представляет собой смесь собственно топлива и окислителя, которые накачиваются из отдельных баков и вступают в химическую реакцию с выделением тепла. Перекрой «кран» — пламя погаснет. Часто космические ракеты оснащены двигателями обоих типов: сначала включаются твердотопливные, которые быстро создают нужную тягу, потом в полете их сбрасывают, и в дело вступают более эффективные двигатели с жидким топливом. Также бывают гибридные установки, где в «пирог» вспрыскивают окислитель из изолированной емкости. Они позволяют контролировать химическую реакцию, но сохраняют и некоторые преимущества твердого горючего.
Вредит ли топливо
Одни ракеты заправляют тем, что называется топливом в обиходе: например, очищенным керосином или метаном, а окислителем служит сжиженный кислород. В этих ракетах происходят такие же реакции, как в двигателях внутреннего сгорания автомобилей: выделяется углекислый газ и водяной пар. И то и другое, усиливая парниковый эффект, поднимает среднюю температуру на планете, но десятки запусков в год погоды не делают.
В твердотопливных двигателях зачастую применяется перхлорат аммония и алюминиевая пудра. Из-за этого во время полета в воздух попадает едкая соляная кислота: один запуск европейской ракеты Ariane 5 дает до 270 т этого вещества. В масштабах всей атмосферы это опять-таки незначительное количество, но, как замечено в отчете Еврокомиссии, так можно сказать про все источники загрязнения, поэтому довод слабоват. С другой стороны, замеры, проведенные NASA в 1995 году после запуска ракеты Delta II, показали, что даже на краях стартовой площадки концентрация кислоты не повысилась; не пострадали и окрестные почвы.
Читайте также
Как советский спутник привел к появлению NASA
Еще одно опасение обусловлено тем, что ракеты пролетают сквозь всю толщу атмосферы, поэтому в верхних слоях могут скапливаться частицы сажи и окислившегося алюминия. По прикидкам старшего проектного инженера некоммерческой организации Aerospace Corporation Мартина Росса, выбросы достигают 11 тыс. т в год. Эти частицы окутывают планету и удерживаются три-пять лет, но к чему это приводит, неясно.
По идее, черная сажа поглощает солнечное тепло и тем самым остужает планету, но из-за возросшей температуры над облаками может разрушиться озоновый слой, защищающий нас от радиации. Оксид алюминия, наоборот, белый, поэтому отражает солнечный свет обратно в космос и, предположительно, тоже понижает температуру атмосферы. А возможно, все наоборот, и из-за оксида алюминия становится жарче, потому что он не дает рассеяться теплу с Земли. К тому же, по словам Росса, на поверхности алюминиевых частиц тоже могут протекать химические реакции с расщеплением озона.
Впрочем, расчеты Всемирной метеорологической организации показывают, что ракетные запуски практически не сказываются на озоновом слое. Но как космические запуски будут влиять на атмосферу в будущем, ученые прогнозировать не берутся: слишком много переменных остаются неизвестными, а выводы в основном делаются по результатам лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования. Как говорят в таких случаях, требуются дополнительные исследования.
Зачем полетит GPIM
Хотя любое ракетное топливо потенциально вредно, но на опытном аппарате GPIM (англ. Green Propellant Infusion Mission) испытают замену одному конкретному виду горючего — широко распространенному гидразину и его производным. Гидразин — сравнительно простое соединение, состоящее из двух атомов азота и четырех атомов водорода. С виду он похож на обыкновенную воду, у них почти одинаковые температуры плавления и кипения, плотность, поверхностное натяжение, но гидразин дымится на воздухе. И если из «водицы» идут сизые пары, это верный знак, что человеку нужно поскорее убираться!
Читайте также
Как новый солнечный зонд Parker может ускорить космические путешествия
Гидразин очень опасен.
При попадании на кожу и слизистые он вызывает сильное раздражение. Химические ожоги бывают такими сильными, что человек умирает. Впитавшись, это вещество способно повредить внутренние органы и нервную систему, после контакта человек иногда впадает в кому. Также есть подозрения, что гидразин вызывает рак. Вдобавок он легко воспламеняется и взрывается, причем коварно — без видимого пламени. Если этого мало, то в 2021 году Евросоюз может запретить использование этого соединения. Вероятно, для аэрокосмической индустрии сделают исключение, но и в этом случае цена на топливо подскачет, а поднимать грузы на орбиту и без того дорого.
Новое «зеленое» топливо — смесь с поэтичным названием AF-M315E на основе нитрата гидроксиламмония. Вредит ли она атмосфере, узнать не удастся: зонд GPIM испытают уже в космосе, а поднимет его туда ракета Falcon Heavy с привычными двигателями. На бумаге, у AF-M315E несколько преимуществ перед гидразином: смесь занимает меньше места, создает более сильную тягу, остается пригодной при более низкой температуре.
Но, возможно, главное ее достоинство — смесь не такая ядовитая, как гидразин, поэтому подготовка космических аппаратов к старту должна сделаться проще, безопаснее и дешевле. Особенно от этого выиграют маленькие компании: они смогут запускать спутники и зонды, которые раньше были нерентабельными.
Кроме AF-M315E ученые и инженеры испытывают более сотни химических соединений для космических аппаратов будущего. Сгорая, эти вещества тоже загрязняют атмосферу, пусть не так сильно, как печь с углем в котельной или металлургический комбинат где-нибудь в стране третьего мира. «Зеленое» — сбивающий с толку эпитет, но это не значит, что аэрокосмическая отрасль пускает пыль в глаза. В ближайшие десятилетия альтернативы ракетам не появятся, и небо так и будут расчерчивать газовые шлейфы. Но если миссия GPIM и другие планируемые испытания пройдут успешно, то все же случится кое-что важное — космос станет ближе.
Марат Кузаев
Топливо космических кораблей — Официальный сайт компании ООО ИннТехТрейд
Извечная мечта человека о космосе стала реальностью благодаря химии.
Хотя топливо, которое используется для запуска ракет, такое же углеводородное, как и то, что наши предки сжигали в кострах и светильниках.
Важное отличие ракеты от самолёта состоит в том, что она должна нести не только топливо, но и окислитель, который нужен для его сгорания. Вещества из окружающей среды она не применяет.
Скорость полета ракеты определяется скоростью и объемом выбрасываемой в полете массы. То есть летит она тем быстрее, чем более тяжелое вещество может отбрасывать и чем с большей скоростью может это делать. Чтобы обеспечить этот процесс, нужно максимально эффективно преобразовывать энергию горючего и окислителя в реактивный выброс.
Сколько лет ракетам на самом деле?
«Меньше сотни», – уверенно ответит почти каждый человек. И ошибется, потому что еще две тысячи лет назад попытки создания ракет были сделаны в Китае. Тогда ракеты пытались запускать на смеси угля (топливо), селитры (окислитель) и серы (катализатор).
Разумеется, никаких впечатляющих результатов это не принесло.
По мере развития науки становилось очевидно, что твердое топливо вообще не подходит для этой цели: его эффективность слишком мала, а горение почти нельзя контролировать в летящей ракете.
Новейшие ракетные теории
В начале XX века появились первые разработки ракетных двигателей на жидком топливе с управляемой тягой. В теории все получалось отлично: берем спирт и окислитель, строим специальную камеру. Вещества горят и с огромной скоростью выбрасываются из сопла, давая нужную степень реактивной тяги. Управляем тягой, регулируя подачу веществ.
Но как быть с тем, что топливо требуется дважды? Ведь ракета сначала выходит на земную орбиту, а потом возвращается на землю. Для этого ее сначала нужно разогнать, а потом затормозить, на все это необходимо топливо, и ракета должна нести его с собой. А чем больше вес, тем более мощная первая ступень требуется, иначе ракета вообще не оторвется от земли.
Вскоре пришли к мысли, что для эффективного запуска нужны разные носители с разным топливом.
Выбор был между керосином и спиртом, а в качестве окислителя должны были выступать азотная кислота или жидкий кислород. В СССР для пилотируемых запусков использовали смесь керосина и жидкого кислорода, именно она применялась для вывода первого спутника и первого запуска человека в космос.
Потом появились и другие варианты. Гептил с азотной кислотой и сейчас используется для заброски грузов на орбиту. В США при запуске «Аполлона» применяли сочетание керосина с кислородом на первой ступени, а для второй и третьей использовали тандем жидкого водорода и жидкого кислорода. Последний вариант показал отличную эффективность и широко применяется по сей день.
Как развивалась эта отрасль?
Работы по улучшению эффективности керосина велись с 1950-х годов. Их результат – появление синтина, который, однако, тоже имеет определенные проблемы, да и ресурсы для получения керосина не бесконечны. К тому же, топливные баки требуют очень много места и объема, и эта проблема стоит тем острее, чем более длительный полет планируется.
Когда появилась идея применять сжиженный газ вместо керосина, внимание ученых привлек метан. Одно из его достоинств – при сгорании он не образует нагара, что дает возможность создавать многоразовые ракетные двигатели.
Изменился и взгляд на используемые окислители. Получили распространение перекись водорода, азотная и хлорная кислоты и другие окислители, содержащие кислород. Собственно, самым выгодным окислителем является жидкий кислород – в составе кислот и других окислителей его содержится не более ¾, остальное, по сути, является балластом.
Начиная с 70-х годов начали широко применяться катализаторы горения с целью увеличить полноту сгорания топлива, исключить недожоги и поднять КПД двигателя.
Чем заняты химики сегодня?
Попытками получить еще более эффективные и дешевые варианты топлива. Пробовали даже составы на основе чистого фтора, кобальта и бериллия.
На самом деле, сейчас само понятие ракетного топлива становится немного неточным.
Речь уже идет не о веществах, которые могут гореть и давать выбросы, а о новых составах, новых источниках энергии, которые выделяют ее без собственно горения.
Так, если взять атомарный (разделенный на атомы) водород в количестве одного килограмма, а потом снова соединить его атомы в молекулы, то можно получить гигантский тепловой выброс, достаточный для кипячения пятисот литров воды. Хорошо звучит? Да, но есть и минусы – крайняя неустойчивость атомарного водорода и сложности с его получением в больших количествах.
А конструкторы продолжают требовать «компактных» решений, которые позволят уменьшить объемы топливных баков ракет.
Чего ждать в ближайшем будущем?
Уже десять лет ведутся разработки и испытания двигателей, которые летают на природном газе. Достоинство этого топлива – в широкой доступности, невысокой цене и практически неисчерпаемых его запасах.
Уже работают ионные и плазменные двигатели и всерьез ведутся разговоры о системах, работающих на атомной энергии.
Судя по всему, грядет эра нового космического топлива – это вопрос буквально одного десятилетия. И, вероятно, эти новые составы станут стартовой площадкой для широкого применения ядерного горючего в качестве ракетного топлива.
Ракетное топливо
– Ракетология: Система космического запуска НАСА
Примечание редактора. Это вторая часть серии из двух статей о химических реакциях, лежащих в основе ракетных двигателей. На прошлой неделе мы говорили о жидкостных двигателях основной ступени SLS , на этой неделе поговорим о ускорителях.
Беверли Перри
Чтобы дать SLS дополнительную мощность для отрыва от земли, сдвоенные пятисегментные ракетные ускорители, построенные Orbital ATK, имеют высоту более 17 этажей, сжигают шесть тонн твердого топлива каждую секунду и помогите SLS вырваться из тисков земного притяжения.
Твердое ракетное топливо — это оригинальное ракетное топливо, восходящее к ранним фейерверкам, разработанным китайцами много веков назад.
Для бустеров SLS алюминиевый порошок служит топливом, а минеральная соль, перхлорат аммония, является окислителем.
Мощная реакция перхлората алюминия и аммония питает двойные твердотопливные ракетные ускорители SLS.
Алюминий — самый распространенный металл на Земле. Он также очень реактивен. На самом деле алюминий настолько реактивен, что в природе он не встречается в чистом виде, а только в сочетании с другими минералами. Именно эта способность легко сочетаться с другими металлами делает алюминий таким полезным. Каждый день мы используем изделия из алюминиевых сплавов или смесей с другими металлами для таких вещей, как контейнеры для напитков, покрытие остатков пищи или iPhone. Удивительно, но это же вещество используется в твердотопливных ракетных ускорителях.
Перхлорат аммония, соль хлорной кислоты и аммиака, является сильным окислителем (читай: взрывоопасным). В бустерах алюминиевый порошок и перхлорат аммония удерживаются вместе связующим, полибутадиен-акрилонитрилом или PBAN.
Затем смесь консистенции резинового ластика упаковывается в стальной футляр.
Так выглядел пустой корпус бустера внутри после первого квалификационного моторного испытания в марте 2015 года. Подготовка ко второму квалификационному испытанию этим летом уже идет полным ходом.
При горении кислород перхлората аммония соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также большого количества энергии.
Эта реакция нагревает внутреннюю часть твердотопливных ускорителей до более чем 5000 градусов по Фаренгейту, вызывая быстрое расширение водяного пара и азота. Как и в жидкостных двигателях, сопло направляет расширяющиеся газы наружу, создавая тягу и отрывая ракету от стартовой площадки.
По сравнению с жидкостными двигателями твердотопливные двигатели имеют более низкий удельный импульс — показатель эффективности ракетного топлива, который описывает тягу на количество сожженного топлива. Однако топливо плотное и сгорает довольно быстро, создавая большую тягу за короткое время.
И как только они сожгли свое топливо и помогли запустить SLS в космос, ускорители выбрасываются, облегчая нагрузку на оставшуюся часть космического полета.
Так и есть. Сделайте воду и запустите огромную петарду, и вы получите: ракетная химия. Однако в этом масштабе вы не можете попробовать это дома. Посмотрите настоящее шоу, когда SLS выйдет в 2018 году.
Присоединяйтесь к обсуждению: посетите нашу страницу Facebook , чтобы прокомментировать сообщение об этом блоге. Мы будем рады услышать ваши отзывы!
Автор baperry3Опубликовано Рубрики Путешествие на Марс, Система космического запускаМетки #journeytomars, алюминий, перхлорат аммония, химические реакции, химия, хлор, фейерверки, водород, Путешествие на Марс, Марс, Космос Маршалла Центр полетов, MSFC, НАСА, азот, Orbital ATK, окислитель, кислород, топливо, двигательная установка, ракета, ракетное топливо, ракетология, ракеты, SLS, твердотопливные ракетные ускорители, космос, исследование космоса, система космического запуска, космический полет
Автор Беверли Перри
Что общего между водой и алюминием?
Если вы догадались, что вода и алюминий заставляют SLS летать, поставьте себе золотую звезду!
Химия лежит в основе запуска ракет.
Движение ракеты следует третьему закону Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Чтобы поднять ракету со стартовой площадки, создайте химическую реакцию, при которой газ и частицы будут выбрасываться из одного конца ракеты, а ракета полетит в другом направлении.
В результате какой химической реакции горячие газы выбрасываются из рабочей части ракеты с достаточной скоростью, чтобы освободить ее от земного притяжения? Горение.
Будь то ваш личный автомобиль или гигантская ракета-носитель, такая как SLS, основы одинаковы. Горение (сжигание чего-либо) высвобождает энергию, которая приводит в движение вещи. Начните с топлива (что-то, что можно сжечь) и окислителя (что-то, что заставит его гореть), и теперь у вас есть топливо. Дайте ему искру, и высвободится энергия вместе с некоторыми побочными продуктами.
Для полета SLS сгорание происходит в двух основных областях: главных двигателях (четыре Aerojet Rocketdyne RS-25) и двойных твердотопливных ракетных ускорителях (построенных Orbital ATK), которые обеспечивают более 75 процентов тяги при взлете.
Сгорание приводит в действие обе силовые установки, но топливо и окислители разные.
Облака пара, продукт водородно-кислородной реакции главных двигателей SLS, вытекают из двигателя RS-25 во время испытаний в Космическом центре Стенниса НАСА.
Маршевые двигатели РС-25 называются «жидкостными двигателями», поскольку в качестве топлива используется жидкий водород (Lh3). Жидкий кислород (LOX) служит окислителем. Ускорители, с другой стороны, используют алюминий в качестве топлива с перхлоратом аммония в качестве окислителя, смешанного со связующим, что создает однородное твердое топливо.
Создание воды заставляет SLS летать
Водород, топливо для основных двигателей, является самым легким элементом и обычно существует в виде газа. Газы — особенно легкий водород — имеют низкую плотность, а это значит, что их небольшое количество занимает много места. Чтобы иметь достаточное количество топлива, чтобы привести в действие большую реакцию сгорания, потребуется невероятно большой резервуар для ее хранения — противоположность тому, что необходимо для ракеты-носителя с аэродинамической конструкцией.
Чтобы обойти эту проблему, превратите газообразный водород в жидкость, более плотную, чем газ. Это означает охлаждение водорода до температуры -423 градуса по Фаренгейту (-253 градуса по Цельсию). Серьезно холодно.
Хотя кислород более плотный, чем водород, его также необходимо сжимать в жидкость, чтобы поместить в меньший и более легкий резервуар. Чтобы перевести кислород в жидкое состояние, его охлаждают до температуры -297 градусов по Фаренгейту (-183 градуса по Цельсию). Хотя это мягко по сравнению с Lh3, оба компонента топлива требуют особого обращения при этих температурах. Более того, криогенные Lh3 и LOX быстро испаряются при атмосферном давлении и температуре, а это означает, что ракета может быть загружена топливом только за несколько часов до запуска.
Попав в баки и когда обратный отсчет запуска приближается к нулю, Lh3 и LOX закачиваются в камеру сгорания каждого двигателя. Когда топливо воспламеняется, водород взрывоопасно реагирует с кислородом с образованием воды! Элементарно!
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Энергия
Эта «зеленая» реакция высвобождает огромное количество энергии вместе с перегретой водой (паром).
Водородно-кислородная реакция генерирует огромное количество тепла, в результате чего водяной пар расширяется и выходит из сопла двигателя со скоростью 10 000 миль в час! Весь этот быстро движущийся пар создает тягу, которая отталкивает ракету от Земли.
Все дело в импульсе
Но не только экологически чистая реакция воды делает криогенный Lh3 фантастическим ракетным топливом. Все дело в импульсе — удельный импульс . Эта мера эффективности ракетного топлива описывает количество тяги на количество сожженного топлива. Чем выше удельный импульс, тем больше «отталкивания от колодки» вы получаете на каждый фунт топлива.
Топливо Lh3-LOX имеет самый высокий удельный импульс среди всех обычно используемых ракетных топлив, а невероятно эффективный двигатель RS-25 обеспечивает большой расход бензина на уже эффективном топливе.
Но даже несмотря на то, что Lh3 имеет самый высокий удельный импульс, из-за его низкой плотности, перевозка достаточного количества Lh3 для подпитки реакции, необходимой для того, чтобы покинуть поверхность Земли, потребует слишком большого, слишком тяжелого бака со слишком большой изоляцией, защищающей криогенное топливо.
практичный.
Чтобы обойти это, дизайнеры усилили SLS.
В следующий раз: Как твердотопливные ракетные ускорители используют алюминий — тот же материал, которым вы покрываете свои остатки — чтобы обеспечить достаточную тягу, чтобы SLS оторвался от земли.
Присоединяйтесь к беседе: Посетите нашу страницу Facebook , чтобы прокомментировать сообщение об этом блоге. Мы будем рады услышать ваши отзывы!
Автор Дженнифер ХарбоОпубликовано Рубрики Путешествие на Марс, Система космического запускаМетки #journeytomars, Aerojet Rocketdyne, алюминий, перхлорат аммония, астронавты, ускорители, химические реакции, химия, Исследовательская миссия 1, водород, Путешествие на Марс, жидкий водород, жидкий кислород, Марс, Центр космических полетов им. Маршалла, MSFC, НАСА, ракета НАСА, третий закон Ньютона, орбитальный АТК, Орион, окислитель, кислород, энергия, топливо, двигательная установка, ракета, ракетное топливо, ракетология, Ракеты, РС-25, Двигатель РС-25, Сатурн V, шаттл, SLS, твердотопливные ускорители, космос, освоение космоса, Система космического запуска, космические грузы, космический корабль, удельный импульс, Космический центр Стенниса, технологии, испытательный стенд
Экологически чистое топливо для запусков ракет в космос
Космические исследования, возможно, дали нам фотографии нашей первозданной голубой планеты Земля и повысили осведомленность о защите окружающей среды, но это бесполезно, если ракеты, выводящие нас на орбиту, основаны на старых, токсичные пропелленты.
На протяжении десятилетий наиболее распространенным ракетным топливом был гидразин, токсичное соединение азота и водорода, которое входит в список веществ, вызывающих серьезную озабоченность ЕС. Это также является предполагаемой причиной аномально высокого уровня гормональных нарушений и нарушений крови во всем районе космодрома Байконур в Казахстане.
Вот почему ученые из Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в Лампольдсхаузене работают над новыми, более экологичными видами топлива, которые могут сделать методы освоения космоса перспективными и сделать их экологически безопасными.
Усилия сосредоточены вокруг соединения, известного как динитрамид аммония (ADN), которое при нагревании разлагается только на азот, кислород и воду.
«АДН был солью-окислителем, впервые обнаруженной в Советском Союзе, но вновь обнаруженной в Швеции в 1990-х годах, где у них возникла идея превратить его в жидкое топливо», — сказал д-р Мишель Негри, руководитель проекта космических двигателей под названием RHEFORM.
.
Проблема в том, что ADN — это соль, поэтому она твердая. Хотя его можно растворить в других видах топлива, таких как метанол или аммиак, для воспламенения требуется высокая температура — более 1500ºC.
‘Гидразиновые двигатели не требуют предварительного прогрева, если просто открыть клапаны, то они начинают стрелять. С другой стороны, с подруливающим устройством ADN, если вы просто откроете клапан, смесь выйдет в жидкой форме. Он не будет реагировать», — сказал доктор Негри.
В рамках проекта RHEFORM изучалось топливо LMP-103S на основе ADN, используемое шведской космической компанией ECAPS, которая была партнером проекта и уже запустила 13 двигательных установок на основе соединения.
“
‘АДН был солью-окислителем, впервые обнаруженной в Советском Союзе, но вновь обнаруженной в Швеции в 1990-х годах, где у них возникла идея превратить ее в жидкое топливо’.
Dr Michele Negri, Немецкий аэрокосмический центр, Лампольдсхаузен, Германия
Легкое воспламенение
Для решения проблемы легкого воспламенения в рамках проекта рассматривалась разработка улучшенного, более реактивного катализатора, чтобы топливо могло реагировать при комнатной температуре.
. Гидразин пошел по тому же пути раннего развития.
«В самом начале 60-х годов они не могли вести огонь при комнатной температуре, но затем они разработали достаточно хороший катализатор, — сказал доктор Негри.
Такие катализаторы работают за счет увеличения площади поверхности для протекания реакций, облегчая их протекание при более низких температурах, или, возможно, за счет добавления соединения, такого как металл, для повышения реакционной способности.
«Катализатор в форме гранул состоял только из носителя (фазы), который представляет собой сами гранулы — обычно это керамический материал с высокой удельной поверхностью», — сказал он. «Поверх этого вы можете поместить активную фазу, которая обычно представляет собой металл».
После тестирования многих материалов ученые-ракетчики обнаружили, что гексаалюминат является лучшим базовым материалом.
Но что, если бы простые гранулы можно было улучшить, чтобы они имели еще более идеальную площадь поверхности, чтобы сделать их более реакционноспособными?
3D-печать
Чтобы выяснить это, они использовали компьютерное моделирование и 3D-печать для создания сложных сотовых структур, известных как монолиты, и таким образом увеличивая площадь поверхности.
‘Это в основном было сделано в автомобильной промышленности (при создании каталитических нейтрализаторов), заменив гранулы монолитной конструкцией. Благодаря ноу-хау нашего партнера по проекту (компания 3D-печати) LITHOZ мы смогли напечатать очень сложные структуры из керамики, а затем использовать их в качестве катализатора», — сказал доктор Негри.
Каталитическая керамика находится внутри камеры тяги ракетного двигателя, через которую впрыскивается топливо перед тем, как выйти из сопла двигателя во время запуска.
«Мы смогли заставить их реагировать в лабораторных условиях, при температуре чуть выше 100 градусов», — сказал он. «В идеале было бы, если бы они могли запускаться в нормальных условиях окружающей среды, не требуя предварительного нагрева».
Доктор Негри говорит, что следующим шагом для достижения воспламенения ADN при комнатной температуре, вероятно, будет использование пропеллентов, не содержащих воды.
Вода делает топливо более стабильным и безопасным для транспортировки, но также делает его менее реактивным.
«Вы можете много играть с составом, чтобы найти хороший компромисс между различными факторами, например производительностью, такими как удельный импульс, способность к хранению или взрывоопасность», — сказал он.
Дешевле
Помимо экологичности, ADN также может быть дешевле. «Заправлять спутник LMP-103S намного проще, чем гидразином, поскольку при первом запуске вы тратите всего треть рабочей силы, необходимой для более опасного гидразина», — сказал он. Доктор Негри добавляет, что даже если топливо немного дороже, общая стоимость жизни может быть ниже.
Американское космическое агентство НАСА, не участвовавшее в проекте RHEFORM, соглашается с тем, что существует потребность в экологически чистом ракетном топливе, и работает над более безопасной в обращении двигательной установкой.
«Хотя гидразин эффективен, он очень токсичен и требует особых мер для надлежащего обращения», — сказала Дайна Исе, руководитель программы миссий НАСА по демонстрации технологий.