Ракетное топливо как называется: РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО | это… Что такое РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО?

Композитное топливо — frwiki.wiki

Композитное топливо называется твердым ракетным топливом, состоящим из макромолекулярной матрицы горючего полимера, называемого связующим, наполненной пылевидным твердым окислителем и, очень часто, пылевидным металлом, играющим роль топлива со связующим. Окислители и восстановители не присутствуют в одной и той же молекуле.

Резюме

• 1 Связующие
• 2 окислителя
• 3 топлива
• 4 Номенклатура и приложения
• 5 Примечания и ссылки
• 6 См. Также
  • 6.1 Связанные статьи

Связующие

Связка композитного пороха должна соответствовать нескольким условиям:

• он должен быть жидким во время смешивания компонентов ракетного топлива
• он должен быть химически совместим с окислителем
• он должен поглощать очень высокие заряды
• он должен обладать эластичностью, подходящей для обеспечения сцепления блока во время стрельбы и во время горения .

Традиционные связующие композитных ракетных топлив на 70-80% состоят из форполимера, который придает им большую часть их свойств благодаря природе его полимеризованных остатков ( бутадиен H ₂ C = CH — CH = CH _{2, акрилонитрил H 2 C = CH — C≡Nили изобутен H 2 C = C (CH 3 ) 2например) или концом его цепей ( гидроксил -ОН, например). Сами цепи состоят из органических мономеров (на основе углерода, азота, кислорода и водорода ), повторяющихся несколько десятков раз. Окисленные связующие используются для холодного топлива. Полисилоксан — [SiR 2 О-] римеют недостаток в том, что они построены на кремнии, который является тяжелым атомом и продукт сгорания ( диоксид кремния SiO 2) твердый. На самом деле лучшими связующими являются углеводороды, которые полностью горючие и поэтому не содержат кислорода или азота в своей цепи.}

Наиболее широко используемые форполимеры для изготовления связующего для композиционных ракетных топлив:

• полибутадиена, в частности hydroxytelechelic полибутадиена (HTPB), терминально гидроксильная
• полиуретановый
• тройной сополимер полибутадиен — акриловая кислота — акрилонитрил (PBAN) менее токсичен, чем HTPB.

Сшивающий агент придает форполимеру когерентность, обеспечивая связи между макромолекулярными цепями (например, диизоцианат, образующий уретановые мостики между концевыми гидроксильными группами форполимера, с одной стороны, и гидроксилами триола, с другой стороны), в то время как пластификатор используется для облегчения формования порохового блока. Все представляет собой связующее, которое обычно составляет от 10 до 15% массы композитного ракетного топлива.

Окислители

Связующее содержит определенное количество зарядов, которые определяют энергетические характеристики пороха. Всегда имеется по крайней мере одна окислительная загрузка, которая имеет как можно более высокую энтальпию образования, разлагается при разумной температуре и обеспечивает кислород во время разложения, чтобы иметь возможность, среди прочего, сжечь связующее. . Основными окислителями, которыми заправлено твердое топливо, являются:

• перхлорат аммония NH ₄ ClO ₄
• калия перхлората KClO ₄
• нитрат аммония NH ₄ NO ₃
• октоген (НМЙ), то гексоген (RDX) или нитрогуанидин Н ₂ N-C (= NH) -NH-N ⁺ ОО ^—_.

Окислитель обычно составляет от 60 до 70% массы композитного топлива.

Топлива

Связующее можно использовать отдельно в качестве топлива, но чаще всего эта роль передается металлическому порошку, в основном:

• алюминий с перхлората аммония (крутящий момент окислителя / топлива в качестве энергии)
• магния с нитратом аммония и перхлората аммония

Горючий металлический порошок обычно составляет от 15 до 20% композиционного топлива.

Номенклатура и приложения

Схема пусковой установки Vega .

Во Франции название композитного топлива соответствует номенклатуре, точно описывающей природу связующего, окислителя и используемого топлива, то есть:

1. префикс, обозначающий форполимер связующего вещества:
   • бута -: полибутадиен
   • iso -: полиуретан
   • нитра -: нитрованное связующее
   • Plasto -: поливинилхлорид
   • sili -: силикон
   • сульфу -: полисульфид
2. инфикс письма, обозначающее окислитель  :
   • — l -: перхлорат аммония NH ₄ ClO ₄
   • — m -: гексоген (RDX) или октоген (HMX)
   • — n -: нитрат аммония NH ₄ NO ₃
   • — p -: перхлорат калия KClO ₄
3. и суффикс, обозначающий металлический заряд:
   • — abe  : бериллий
   • — зад  : алюминий
   • — èbe  : бор
   • — ите  : без металла .

Таким образом, буталан 69-19, используемый, например, на 1- ^м  этаже евро-итальянской ракеты Vega, первый полет которой запланирован на 2010 г., представляет собой композиционное ракетное топливо с перхлоратом аммония, состоящее из 69% перхлората аммония в качестве окислителя и 19% алюминия в качестве топлива. в 12% полибутадиеновом связующем .

В целом композитное топливо во всем его разнообразии широко используется во всех твердотопливных космических аппаратах, включая межконтинентальные баллистические ракеты, а также в простых ракетах средней и малой дальности.

Примечания и ссылки

1. ↑ Программа Vega с объявленной стоимостью чуть более 800  млн евро финансируется на 65% Италией, 12,43% Францией, 5,6% Бельгией, а остальное — Испанией, Нидерландами, Швейцарией и Швецией . Это включает повторное использование элементов, разработанных для Ariane 5, начиная с EAP, технология которых использовалась с двигателем P80, устанавливающим первую ступень ракеты Vega, а также на пусковых площадках, запланированных в Куру для Ariane 1 . Цель состоит в том, чтобы иметь возможность запускать небольшие полезные нагрузки (от 300  кг до 2,5  т в зависимости от типа целевой орбиты) с максимальной надежностью по значительно сниженным ценам.

Смотрите также

Статьи по Теме

• Твердотопливный движитель
• Композитное топливо на основе перхлората аммония .

<img src=»//fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Технология изготовления пиротехнических ракет. | Pyrohobby

Технология изготовления простых пиротехнических ракет

Ракета – это пиротехническое устройство развлекательного характера, одиночного вида работы (single shot), которое, с помощью реактивной тяги, выводит полезную нагрузку на определённую рассчитанную безопасную высоту, где происходит раскрытие снаряда определённого типа (цилиндр, люсткугель, шатрик, сигнал).

Данное устройство состоит из основных отдельных изделий «Рис.1», «Рис.2»:

• Фестивального шара, либо чаще всего, цилиндра.
• Твёрдотопливного двигателя.
• Рейки — стабилизатора.
• Фитиля.

Основные положения

Из школьных уроков физики и химии известно, что космическая ракета приводится в движение за счёт её отталкивания от части своей массы. Эта масса является однокомпонентным или многокомпонентным, жидким или твёрдым топливом, при сгорании которого, высвобождается огромная внутренняя энергия в виде тепла. Эта энергия, в камере сгорания преобразуется в кинетическую, при этом, раскалённые частицы газа, ускоряясь, вылетают из сопла двигателя, совершая работу.

В классических пиротехнических твёрдотопливных двигателях используется топливо на основе окислителя — KNO3 и горючего C, S. При инициации горения топлива с глубины канала, начинается химическое термодинамическое превращение твёрдотопливной смеси в газообразные продукты, такие как: CO, CO2, N2, O2, и твёрдые мелкодисперсные частицы: K2O, K2CO3, K2S, K2SO4, С.  Благодаря не сгоревшим частицам древесного угля, вылетающим из сопла ракеты вместе с газами, образуется искристый хвост (шлейф), длина цвет и плотность которого зависят от пропорции и состава топливной смеси. Составы топлив могут отличаться кислородным балансом, наличием металла для искрообразования, катализатора, пассиватора, а так же пластификатора и других дополнительных веществ и соединений, благоприятно влияющих на процесс горения. Таким образом, можно сделать вывод, что между пиротехническими двигателями и твёрдотопливными ускорителями космических ракет не столь уж и большое различие с точки зрения принципа работы и основной компоновки.

Инструменты и реактивы

• Ракетный набор (Унтерзац и набойники различной длинны).
• Пресс с манометром, либо резиновая или деревянная киянка.
• Сита 1мм и 0,2 — 0,1 мм.
• Воронка.
• Мерные ложки.
• Поднос.
• Набор свёрл.
• Навойник (любая гладкая трубка с нужным внешним диаметром).
• Полиэтиленовый пакет с застёжкой.
• Бутылка с распылителем или шприц.
• Герметичные пластиковые ёмкости.
• Электронные или механические весы.
• Картонная гильза определённого диаметра (корпус двигателя)
• Бумага — кравт или картон.
• Обычный клей ПВА или столярный (на водной основе).
• Рейка — стабилизатор определённой длинны.
• Калий азотнокислый (KNO3).
• Сера (S).
• Древесный уголь сосновый или берёзовый (С).
• Бентонит (смесь глин высшего сорта), либо кошачий наполнитель (глиняный)
• Квик — матч.
• Виско — замедлитель.

Изготовление ракетного топлива

Измельчение реактивов

Предупреждение! Процесс довольно пыльный и огнеопасный, не забудьте защитить органы зрения и дыхания с помощью защитных очков и респиратора!

Основными реактивами смесевого ракетного топлива являются: азотнокислый калий, сера и древесный уголь. Все три компонента должны иметь необходимую чистоту и дисперсию, иначе примеси в этих веществах скажутся на работе двигателя. Так же, по мимо чистоты, они должны быть абсолютно сухими. Для начала, рассмотрим таблицы и определимся с выбором пропорции ракетного топлива.

Таблица параметров 20 мм ракет

Пропорция топлива выбирается в зависимости от калибра двигателя, длинны топливного канала, наличия сопла или его отсутствия, максимально допустимой полезной нагрузки. После выбора основных параметров, начинается стадия изготовления. Перво — наперво, нужно взвешиваются и измельчаются реактивы до определённых размеров частиц, примерно от 100 до 200 микрон. Измельчается первым окислитель — нитрат калия и отдельно горючее — смесь серы с древесным углём. Измельчение проводится в специальном устройстве в шаровой мельнице, либо в промышленной или бытовой кофемолке. После измельчения желательно чистить ёмкость от остатков измельчаемых реактивов. Нельзя чтобы окислители смешивались и измельчались с горючим, так как это может привести к самовоспламенению! Чем выше дисперсия смеси окислителя и горючего, тем более чувствительна смесь к трению и удару! Измельчение кофемолкой производится так, как и написано в инструкции. В основном это 30 рабочих секунд. То есть, рассчитанная для кофемолки порция реактива измельчается периодично 4 — 5 раз с промежуточным отдыхом в 5 — 7 минут. Это нужно для предотвращения перегрева кофемолки, а так же для предотвращения её самовоспламенения.

Смешивание, увлажнение, сушка

Предупреждение! Процесс довольно пыльный, не забудьте защитить органы дыхания с помощью респиратора!

После того как все необходимые компоненты были достаточно измельчены, их нужно просеять (избавиться от инородных примесей и комков) и тщательно перемешать. Смешивание проводится в полиэтиленовом пакете с застёжкой. Засыпается в пакет через сито окислитель, горючее и плотно закупоривается застёжкой. Топливная смесь перемешивается примерно 3 — 4 минуты. После этого высыпается всё в удобную округлую пластиковую тару или фарфоровую ступку, где будет производиться увлажнение топливной смеси.

Увлажнение смеси нужно для того, чтобы растворимый в воде KNO3 при высыхании кристализовался и обволакивал не растворимые частици топлива. Это увеличивает процент прореагировавшей массы, что ощутимо сказывается на скорости горения, давлении и соответственно тяге двигателя. Увлажнять лучше всего шприцем, так как дозировать количество влаги им намного точнее и не так пыльно, чем распылителем.  Перед началом надиваются резиновые перчатки, отмеривается 3 — 5% воды или 25% раствора этилового спирта от массы топлива. Смесь увлажняется и комкается пару минут руками. По консистенции она должна напоминать пластилин. Далее, сминается небольшой кусок и протирается через 1 мм сито на подстелённый лист бумаги, на подносе. Слой гранул должен быть равномерным и не слишком плотным. На 4 листах формата А4 как раз достаточно для размещения 100 г топлива ровным слоем.

Листы относятся в специальный сушильный шкаф, либо на открытый воздух под солнце, желательно в безветренную погоду, в противном случае высохшие частицы топлива будет разносить. Сушка при температуре 35 — 40 градусов и влажности воздуха 50 — 60% длится примерно 2 — 3 часа, а при комнатной температуре около суток. Время от времени топливо перемешивается. По истечению процесса сушки, лёгким надавливанием и истиранием слегка разрушаются гранулы для экономии места в таре. Смесь станет более плотной и равномерной. После проделанных манипуляций, ракетное топливо готово!

Если нужен бессопловой двигатель, то необходимо пропитать топливо минеральным маслом. Это улучшает прессование, увеличивает плотность топлива, и что более важно, стабилизирует горение топлива с положительным кислородным балансом. Для пропитки топлива нужен растворитель. Для этого хорошо подходит бензин — галоша или обезжириватель. Эти растворители наименее пахучи и обладают достаточной летучестью. Для того чтобы пропитать 100 грамм топлива, приготовляется масляный раствор, для этого к 15 — 20 мл растворителя прильём 2-3 мл минерального масла и перемешаем раствор. Далее, в округлую ёмкость засыпается 100 г топлива, выливается весь р-р и тщательно перемешивается, а после этого снова протирается через 1 мм сито и высыпается уже не на листы бумаги а на целлофан, чтобы бумага не впитывала всё масло в себя. Выветривание растворителя производится на открытом воздухе не под прямыми лучами солнца.

Сборка ракетного соплового и бессоплового двигателя

Предупреждение! Процесс довольно пыльный, огне и взрывоопасный, не забудьте защитить органы зрения, дыхания и слуха, а так же и руки, с помощью защитных очков, респиратора и противошумных наушников и огнеупорных перчаток! При забивке топлива, стойте сбоку от двигателя. Не подставляйте голову под направление вектора вылета набойника! При неправильном прессовании и следовательно воспламенении топлива, вылетающий набойник может вас покалечить!

Теперь подошёл самый ответственный момент в сборке ракет. В зависимости от того, какой вид двигателя нужен, технология сборки будет слегка меняться. Начнём с сопловиков, т.к. они наиболее часто собираемые пиротехниками — ракетчиками. В начале на унтерзац насаживается гильза так, чтобы шпилька была строго по центру трубки. Отмеряется оптимальное количество бентонита для формирования сопла, 1 — 1,5 грамм мерной ложкой, не больше, в противном случае будет неравномерная плотность топлива и перекос гильзы, что может привести к разрыву двигателя или прострелу заглушки во время старта. Прессование производится прессом с показателем усилия (манометром). Прессование так же допустимо без пресса спомощью деревянной или резиновой киянки, но таким методом двигатели с внутренним диаметром от 25 мм запрессовать не представляется возможным.

Перед запрессовкой топлива приготовливается гильза и отмечаются на ней рисками границы между секциями: отступами, заглушками, топливом с каналом и без канала. На набойнике так же могут отмечаться риски уровня запрессовки. Кстати, наглухо запрессованный промежуток топлива так и называется — глухой состав, выполняющий функцию трассера и замедлителя. Сверху гильзы вставляется воронка и засыпается первая порцию бентонита. После засыпки, выбирается самый длинный набойник. Его слегка приподнимают и опускают на дно несколько раз, чтобы равномерно распределилась глина или топливо, в зависимости от стадии запрессовки. Далее, всё ставится под пресс и создаётся с его помощью усилие в 1 — 1.3 тонны, не более 1.5 тонн, так как приобретённые в нашем магазине 20 мм картонные гильзы выдерживают усилие в 1.5 тонны. Если используется резиновая или деревянная киянка для прессования, то одна рука должна придерживать гильзу с набойником, а другой сделается 15 — 20 ударов средней силы резиновой или деревянной киянкой, ровно по центру набойника. Со всей силы по набойнику колотить ненужно! После, фиксируется большим пальцем угол между набойником и гильзой (если нет пометок на набойнике), и вынимается вращательными движениями. Далее, подставляестя набойник к гильзе, а большой палец упирается в конец гильзы и сравнивается запрессованный уровень с рисками на корпусе гильзы. Если набойник слегка забит глиной или топливом, можно слегка постучать по нему не металлическим предметом над ёмкостью для горючих отходов. Процедура повторяется N — количество раз. При каждой последующей забивке порции глины или топлива, нужно сверять готовый уровень с рисками и что более важно — вовремя менять набойник на более короткий. Это необходимо для избежания возникновения трения и удара металла об металл на минимальной площади прикосновения «Рис.3». После окончания прессования, необходимо аккуратно снять двигатель со шпильки унтерзаца, не повредив топливный канал. Для более лёгкого снятия движка со шпильки, перед забивкой, её смазывают минеральным маслом. После извлечения шпильки, с помощью фонарика, осмотривается топливный канал двигателя на наличие повреждений. При лёгком постукивании ладонью по движку из канала не должно сыпаться топливо, а глиняное сопло должно с трудом ковыряться ногтём. Если из канала значительно высыпается топливо, то этот двигатель можно смело считать браком, так как при запуске его просто разорвёт. Хранить ракетные двигатели нужно в герметичной, антистатической таре, с заклеенными малярной лентой торцами.

Формирование канала методом сверления

Предупреждение! Процесс довольно огне и взрывоопасный, не забудьте защитить органы зрения, слуха, а так же и руки, с помощью защитных очков, противошумных наушников и огнеупорных перчаток! При забивке топлива, стойте сбоку от двигателя. Не подставляйте голову под вектор вылета набойника! Не допускайте перегрева сверла при сверлении канала!

Данный метод схож с вышеупомянутым и годиться для производства двигателя, если отсутствует ракетный набор. Найти набойник нужного диаметра не так уж и сложно, по сравнению с вытачиванием целого набора. Преимущество данного метода в том, что можно не ограничиваться стандартизированными наборами, а разработать собственный не стандартный двигатель. Но так же есть и подводные камни. Прежде чем вы разработаете свой вариант с уникальными пропорциями топлива и параметрами двигателя, будет потрачена куча ресурсов и произведено много неудачных экспериментальных запусков. Однако, если не заморачиваться с изобретением «велосипеда», то всё встаёт на свои места.

Чтобы сделать ракетный двигатель без набора, достаточно будет хотя бы одного не полого набойника и металлического плоского основания — «блина». Удерживать гильзу при запрессовке на таком основании слегка сложнее, но вполне реализуемо. Прессовка каждой порции глины или топлива производится так же, как и написано выше, разница лишь в том, что топливо запрессовывается полностью наглухо и при формировании нижней заглушки, глина засыпается на само основание. После запрессовки, берётся сверло нужного диаметра, делается отметка — стопор сверла, то есть наматывается на него несколько слоёв малярной ленты. После этого, в буквальном смысле, сверлится «пальцами» топливный канал. Сверление производится в несколько заходов, чтобы освобождать канал от лишнего топлива. Можно сверлить канал микродрелью, но это если калибр двигателя очень мал. Микродрель относительно лёгкая и маломощная, поэтому нагрев сверла будет не столь сильным.

Предупреждение! Сверлить шуруповёртом или дрелью нельзя! Во-первых, это не удобно, не получится ровно просверлить канал, а во-вторых, моментально произойдёт перегрев и воспламенение, переходящее во взрыв!

Сборка ракеты

После того, как все необходимые части ракеты были сделаны, их нужно собрать вместе. Цилиндры и сферы прикрепляются несколькими способами. Первым самым и самым простым, это при помощи термоклея. На торец двигателя наносится термоклей, затем просовываются стопины в отверстие верхней заглушки двигателя, далее оба изделия центруются и прижимаются на несколько секунд, пока клей не остынет. Для второго способа крепления нужно намотать с проклейкой 2-3 слоя картона или 4-5 слоёв кравта, так, чтобы намотанные слои выходили за верхний торец двигателя на 1-1,5 мм. После этого, выходящая часть нарезается канцелярским ножом на лепестки. Лепестки проклеиваются и шар или цилиндр приклеивается к ним. Затем нужно обернуть с проклейкой шар или цилиндр так, чтобы лепестки были полностью накрыты слоями кравта или лентами малярного скотча. Это обеспечит надёжное крепление и во время перегрузок в полёте, что не даст головной части отвалиться.

Шатрик крепится совершенно по другому, вернее он собирается на самом двигателе ракеты, поэтому его сборка будет описана в другой статье.

Теперь, приготавливается отрезок квикматча так, чтобы из него торчали стопины на 20 — 30 мм. Огалёнными стопинами квик опускается на глубину топливного канала. В квик вставляется виско — замедлитель и у торца сопла, вместе с квиком, оборачивается в пару слоёв небольшим отрезком кравта, а затем привязывается толстой хб ниткой. Далее прикрепляется рейка — стабилизатор. Примерно 5-7 см на конце рейки намазывается столярным клеем и прижимается к нижней части двигателя, после чего фиксируется малярной лентой. Стабилизатор не должен болтаться и съезжать, в противном случае ракета может полететь куда угодно, либо рыскать в полёте, что неприемлимо. Для удобства и надёжности середина виско фитиля приклеивается малярной лентой к стабилизатору. Так же нужно на конец фитиля надеть маленький бумажный колпачёк, для защиты от фальшстарта.

Запуск

Запуск ракет производится всегда не вертикально вверх, а под небольшим наклоном в 30 градусов от зрителей. Это нужно как для безопасности, чтобы отработанный двигатель внезапно не упал никому на голову, так и для чёткого ракурса при раскрытии цилиндра. Ракета вставляется стабилизатором в сугроб и вращательными движениями слегка расширяется углубление, для того, чтобы на старте ракету ничего не держало. Категорически нельзя втыкать ракету в сыпучие породы, иначе она не взлетит! Так же нельзя запускать данное изделие с рук! «Рис. 4″ Для запуска ракет обычно используют специальные стенды с одним или несколькими местами для установки ракет «Рис.5». В зависимости от калибра сферы или цилиндра будет варьироваться и радиус безопасной зоны.

Удачи и успеха на запусках!

Поделиться:

Rocket Physics, Extra Credits: Rocket Fuels

В нашей предыдущей статье мы рассмотрели основы ракетных двигателей, но мы только поверхностно коснулись комбинаций топлива и окислителя. В то время как водород-кислород и керосин-кислород доминируют в мире ракет-носителей, многие другие комбинации топлива широко используются в столь же многочисленных приложениях. Здесь мы рассмотрим некоторые популярные комбинации пороха.

Информацию о ракетной физике и ракетном двигателе см. в предыдущих частях, Тирания ракеты Уравнение и Разработка ракетных двигателей .

Краткая история топлива

Испытание межконтинентальной баллистической ракеты «Редстоун» в 1958 году, работающей на 75% этаноле и жидком кислороде (источник изображения: Армия США). 1950-х и 1960-х годов холодной войной, в частности, разработкой баллистических ракет, предназначенных для перевозки ядерного оружия. Следовательно, выбор топлива определялся как требованиями к характеристикам двигателя, так и боевыми требованиями. Например, межконтинентальные баллистические ракеты должны оставаться бездействующими и полностью заправленными в течение многих лет перед использованием, исключая такие виды топлива, как жидкий водород, которые трудно хранить. Более поздние ракеты, использовавшиеся в мирных целях, произошли от них, но использовали аналогичные виды топлива и методы. История так же важна, как и инженерия, для понимания выбора топлива, используемого сегодня.

Количество типов топлива и их комбинаций так же разнообразно, как и их применение. Водород и кислород используются в «Феррари» ракетного мира, где производительность имеет первостепенное значение. Однако водород — привередливое топливо, которое трудно хранить. Керосин и кислород являются рабочими лошадками для большинства ракет-носителей, они надежны и обладают достойными характеристиками. Монотопливо и простые газы под давлением доминируют в системах управления реакцией, а гиперголики правят там, где надежность и долговечность являются ключевыми. В SpaceX и Blue Origin появляются метан и кислород, которые удобно производить на Марсе, они имеют лучшие характеристики, чем керосин, и их легче хранить, чем водород.

Конечно, нас больше всего интересует, как доставить космический корабль на Марс. Они включают в себя маневры с высокой дельта-V и большой тягой, такие как запуск на орбиту и трансмарсианские инъекции. Для этих приложений ни одна зрелая технология не заменила двухкомпонентные двигатели, которые сжигают топливо и окислитель… пока.

Двухкомпонентные двигатели

Общая схема двухкомпонентного ракетного двигателя (изображение предоставлено НАСА)0006, что означает, что топливо и окислитель смешиваются и сжигаются для создания тяги. Чтобы максимально увеличить их плотность (тем самым сведя к минимуму объем резервуаров), они хранятся в виде жидкостей. Наиболее распространенными видами топлива являются жидкий водород, или Lh3, и ракетный керосин, или RP-1. Обычно их сжигают жидким кислородом или LOX. Использование зависит от области применения: Lh3/LOX имеет высокий удельный импульс, тогда как RP-1/LOX имеет более высокую плотность и его легче хранить.

Другими словами, пока у Lh3/LOX высокая производительность , он неудобен по многим причинам, таким как необходимость хранения при сверхнизких температурах и очень низкая плотность, требующая тяжелых резервуаров. С другой стороны, RP-1/LOX, хотя и имеет более низкие характеристики, более удобен; керосин можно безопасно хранить при комнатной температуре и он имеет высокую плотность, что снижает вес цистерн. Мы рассмотрим компромиссы и вопросы обращения с топливом позже в этой статье.

Особым классом битопливных топлив является гиперголический комбинации пороха, самовоспламеняющиеся при смешивании. Эти химические вещества более экзотические, с такими названиями, от которых сворачивает язык, например, несимметричный диметилгидразин и тетроксид диазота. Гиперголические ракетные топлива будут подробно описаны в следующем разделе.

Вот небольшая выборка многочисленных комбинаций топлива и окислителя, используемых в двухкомпонентных двигателях космических кораблей. Обратите внимание, что удельный импульс зависит как от двигателя, так и от топлива:

AEXAC SPACER SPAC SPAC SPAC SPAC SPAC SPAC SPAC. используется в.

* Все еще в разработке.

** БЭ-4 работает на сжиженном природном газе (преимущественно метан, но с другими газовыми примесями и примесями) и, вероятно, будет иметь удельный импульс в диапазоне середины 300 с.

Почему так много комбинаций и применений? Выбор топлива для двигателя обычно является результатом сложного взаимодействия между техническими требованиями, местной погодой, приложениями, организационным опытом, историей, политикой, местной промышленной базой и даже физической географией страны.

Наиболее эффективным топливом, которое обычно используется, является жидкий водород, удельный импульс которого на двигателях РС-25 может достигать 453 секунд. Тем не менее, это также связано с множеством инженерных проблем, таких как:

• Криогенное хранение: Жидкий водород криогенный , а это означает, что его нужно хранить в очень низких температурах, иначе он закипит: -253 °C, чтобы точный. Это означает, что топливные баки нуждаются в усиленной изоляции, и обращение с ними становится более трудным и опасным. Кроме того, большинство материалов становятся более жесткими и хрупкими при криогенных температурах. 9Стальной корпус Титаника 0005 плыл по воде при температуре всего -2 °C и стал настолько хрупким, что выжившие сообщали, что при разрушении корпус издавал звук разбитого фарфора. Тем не менее, космический корабль SpaceX на самом деле использует этот эффект для повышения прочности своего корпуса при наполнении криогенами за счет использования типа нержавеющей стали, которая сохраняет пластичность при низких температурах.
• Низкая плотность: Высокая производительность водорода обусловлена ​​его низкой молекулярной массой – к сожалению, это также означает, что он имеет низкую плотность. Соответственно, нужны более крупные и тяжелые танки. Размер резервуаров с жидким водородом усугубляет проблему изоляции. Резервуары большего размера также труднее транспортировать к месту сборки, особенно если их приходится перевозить автомобильным или железнодорожным транспортом. Вот почему жидкий водород может быть плохим выбором для стран с труднопроходимой местностью.
• Высокая чувствительность к воспламенению: Водородно-кислородные смеси легко воспламеняются. Это означает, что запустить двигатель легко. К сожалению, это также означает, что утечка с большей вероятностью вызовет взрыв.
• Невидимое пламя: В случае возгорания утечки и образования пламени водородно-кислородное пламя почти невидимо. Это означает, что пожары гораздо труднее обнаружить.

Это лишь некоторые из сложных проблем, связанных с проектированием ракет-носителей, но этим дело не ограничивается. При попытке хранить жидкий водород в течение длительного периода времени, например, во время полета в дальний космос, мы сталкиваемся с еще большими трудностями. К ним относятся:+

• Выкипание: Жидкий водород очень холодный. Корабль дальнего космоса будет обогреваться Солнцем и его бортовыми системами, которые нагревают водород и заставляют его кипеть. Образующийся газ должен быть либо выпущен в космос (и потерян), либо уловлен и повторно сжижен (требуются мощные системы охлаждения, которые потребляют энергию). подушка. Миссия в дальний космос с использованием жидкого водорода, такая как миссия на Марс, должна быть оснащена криогенными системами охлаждения.
• Переход орто-пара: Водород в своем естественном состоянии двухатомный , что означает, что каждая молекула состоит из двух атомов водорода, связанных вместе. Ядра этих атомов представляют собой отдельные протоны, каждый из которых обладает квантово-механическим свойством, называемым спин (они не вращаются в буквальном смысле, это просто название свойства — нет, я тоже не понимаю, что оно означает). Эти спины могут быть параллельными (ортоводород) или антипараллельными (параводород). Газообразный водород при комнатной температуре состоит примерно на 75% из ортоводорода и на 25% из параводорода. Однако при сжижении ортоводород начинает превращаться в параводород с выделением тепла. Этого тепла достаточно, чтобы испарить водород. Таким образом, после сжижения водород должен активно охлаждаться в течение нескольких дней, чтобы весь ортоводород превратился в параводород, иначе он начнет быстро испаряться внутри ракеты.
• Утечка: Водород представляет собой очень маленькую молекулу, а это означает, что он легко просачивается через самые маленькие швы и щели.
• Охрупчивание: В качестве альтернативы, молекулы водорода могут застрять между атомами стенки резервуара, разъединив их. Так что со временем танк будет становиться все более и более ломким. Это сочетается с тем фактом, что воздействие криогенных температур на большинство материалов уже делает их хрупкими.

Из-за этих многочисленных проблем водород в качестве топлива в основном ограничивается приложениями, где требуются экстремальные характеристики и короткое время хранения. В современном использовании водород отлично подходит в качестве топлива для высокопроизводительных верхних ступеней, таких как Centaur. Обычно его не используют в качестве топлива для нижних ступеней (за исключением космического челнока), потому что потребуются огромные баки.

Окислители — другой компонент, необходимый для горения — также могут иметь многие из тех же проблем, а затем и некоторые. Для ракет-носителей жидкий кислород (или LOX) является широко используемым окислителем. Он должен храниться при температуре ниже -183 °C, а это означает, что он по-прежнему является криогеном, но его хранение гораздо менее проблематично, чем жидкий водород. Изоляция и выкипание по-прежнему вызывают беспокойство; Ракеты-носители действительно должны постоянно выпускать и доливать жидкий кислород, поскольку он кипит в их баках в ожидании запуска, иначе давление взорвет баки. Серьезную озабоченность вызывает тот факт, что жидкий кислород также является чрезвычайно мощным окислителем, легко образуя легковоспламеняющиеся смеси со многими материалами (такими как сталь, тефлон, инженеры и ткань).0003 Звездолет SN8 выпускает кислород, когда он кипит в своих баках в ожидании запуска, проблема с использованием криогенного топлива (изображение предоставлено SpaceX). В 1,4 раза больше плотности керосина, а это означает, что для него не требуются большие баки. Вот почему внешний топливный бак космического корабля требовал гораздо большего объема для хранения жидкого водорода, чем для хранения жидкого кислорода, несмотря на то, что ему требовалась гораздо большая масса кислорода.

Поперечное сечение внешнего топливного бака космического корабля «Шаттл». Масса LOX в шесть раз больше массы Lh3, но бак LOX намного меньше, чем бак Lh3. Также обратите внимание на наличие на подушке специального клапана для сброса выкипания кислорода. Специальный канал, известный как «вентиляционный рукав для газообразного водорода» (не показан), удаляет испарения водорода на прокладке. (Изображение предоставлено НАСА.)

В этом подробном списке вопросов освещаются некоторые инженерные и логистические соображения, которые необходимо учитывать при выборе комбинации топливо-окислитель.

Одним из наиболее распространенных видов топлива, используемых сегодня в ракетах-носителях, является РП-1, керосин высокой чистоты, обычно сжигаемый с кислородом. Здесь мы видим, как история влияет на современную ракетную технику. РП-1 основан на рецептуре керосина для реактивных топлив, но с более высокой чистотой и термической стабильностью. Первоначально он был разработан для применения в ядерных межконтинентальных баллистических ракетах, таких как советская Р-7 и американская Atlas.

Несмотря на худшие характеристики, чем у водорода, с удельным импульсом всего 330 секунд даже с лучшими двигателями, РП-1 имеет гораздо лучшую плотность и сохранность. Баллистические ракеты должны были находиться в режиме ожидания в течение многих лет и быть достаточно маленькими, чтобы поместиться в пусковые установки, в пользу РП-1. Его наследие в ракетах, а затем и в орбитальных ракетах-носителях сделало RP-1 / LOX предпочтительной комбинацией топлива для таких ракет, как Saturn V, Falcon 9., и Электрон.

Для двухкомпонентных топлив обычно требуются воспламенители, чтобы обеспечить небольшой толчок, необходимый для начала реакции. Воспламенители можно разделить на искровые и химические.

Искровые воспламенители — это именно то, на что они похожи — увеличенные и более мощные версии свечей зажигания, используемые в обычных автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Заставляя электрическую дугу прыгать через клеммы, они поджигают небольшую область смешанных паров топлива, и оттуда распространяется пламя. SpaceX Raptor, работающий на метане и кислороде, использует искровой воспламенитель. Это позволяет перезапускать его много раз, поскольку воспламенитель может срабатывать до тех пор, пока доступно электропитание.

Однако для более крупных двигателей и тех, которые используют топливо, которое труднее воспламенить (например, керосин), искровые воспламенители не обеспечивают достаточного количества энергии достаточно равномерно. Несгоревшее топливо может скапливаться в одной области двигателя, пока распространяется пламя, а затем детонировать все сразу — это может вызвать опасные резонансы, разрушающие двигатель. Для этих ситуаций обратимся к более мощным химическим воспламенителям .

Возможно, вы слышали о жидкости для розжига TEA-TEB. TEA-TEB означает триэтилалюминий-триэтилборан (прямо слетает с языка), представляющий собой смесь двух химических веществ. Оба этих химических вещества пирофорные , что означает самовозгорание при контакте с воздухом. И Saturn V, и Falcon 9 зажигают свои двигатели, впрыскивая горящий TEA-TEB в свои камеры сгорания, эффективно воспламеняя топливо с помощью огнемета. Хотя химические воспламенители гораздо более эффективны при равномерном воспламенении трудновоспламеняющихся комбинаций топлива, они также ограничивают количество возможных перезапусков. Как только в ракете заканчивается жидкость для зажигания, перезапуск больше невозможен.

Кадр из SpaceX Испытание двигателя Merlin 1D в 2012 г. , показывающее зеленое пламя в момент зажигания. Зеленый цвет обусловлен бором в пылающем TEA-TEB, который впрыскивается в камеру сгорания для воспламенения топлива RP-1/LOX (изображение предоставлено SpaceX).

Разрабатывается параллельно с RP-1/LOX и Lh3/LOX были гиперголическими горючими, которым не нужны воспламенители. Эти комбинации также имеют корни как в истории, так и в технике.

Гиперголическое топливо

В середине 1930-х и 1940-х годах в нацистской Германии шла разработка самовоспламеняющихся комбинаций ракетного топлива. Это топливо позже стало известно как гиперголов , с суффиксом «-gol», являющимся сочетанием греческого « ergon » (работа) и латинского « oleum » (нефть). контактируя друг с другом, они самовозгораются.

Двигатель, работающий на гиперголическом топливе, можно запустить и перезапустить, просто открыв топливные клапаны, что значительно повышает его простоту и надежность. Благодаря тому, что характеристики многих гиперголов приближаются к характеристикам RP-1 / LOX, но при этом их гораздо проще хранить, они нашли свое применение во многих баллистических ракетах и ​​в ряде старых конструкций орбитальных ракет-носителей, таких как российский «Протон» и китайский «Великий поход». .

Они также имеют множество применений для орбитальных и межпланетных аппаратов, где решающее значение имеют долгосрочное хранение и надежность. Например, двигатели Draco и SuperDraco капсулы Dragon, лунный посадочный модуль и служебный модуль Apollo, а также орбитальные маневровые двигатели космического корабля Shuttle использовали гиперголическое топливо.

SpaceX Dragon запускает гиперголические двигатели SuperDraco во время статического испытания системы аварийного останова (источник изображения: SpaceX.)

Однако за эти преимущества приходится платить экстремальная токсичность. Заправка космического корабля гиперголическим топливом требует надежного защитного оборудования для операторов. В июле 1975 года последний космический корабль «Аполлон» возвращался на Землю из миссии «Аполлон-Союз», когда произошла авария, подчеркнувшая эту опасность. Маневренные двигатели, в которых использовались гидразин и четырехокись азота, были случайно оставлены включенными на протяжении всего спуска. Когда вентиляционный клапан открылся, чтобы подать свежий наружный воздух в кабину, астронавты подверглись воздействию ядовитых паров, в результате чего один из них потерял сознание и потребовал госпитализации всех троих на две недели.

Обратите внимание на автономный дыхательный аппарат, используемый техническими специалистами НАСА в этом видео, необходимый для работы с гиперголическим топливом: