Топливо для ракетных двигателей: РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА • Большая российская энциклопедия

РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. Г. Спиркин

РАКЕ́ТНЫЕ ТО́ПЛИВА, ве­ще­ст­ва, яв­ляю­щие­ся ис­точ­ни­ком энер­гии и ра­бо­чим те­лом, соз­даю­щим ре­ак­тив­ную тя­гу в ра­кет­ных дви­га­те­лях, при­ме­няе­мых в кос­мо­нав­ти­ке, авиа­ции, во­ен­ной и др. от­рас­лях тех­ни­ки. Р. т. под­раз­де­ля­ют на жид­кие, ге­ле­об­раз­ные, твёр­дые, гиб­рид­ные и ядер­ные в за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва, струк­ту­ры, свойств и на­зна­че­ния то­п­лива. Р. т. сго­ра­ют в ка­ме­ре сго­ра­ния дви­га­те­ля, об­ра­зуя про­дук­ты сго­ра­ния с темп-рой 3000–4500 °C, ис­те­каю­щие со ско­ро­стью 2500–4500 м/с и соз­даю­щие ре­ак­тив­ную си­лу. Энер­ге­тич. по­ка­за­те­ли и эф­фек­тив­ность Р. т. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся удель­ным им­пуль­сом Р_уд – от­но­ше­ни­ем тя­ги дви­га­те­ля к рас­хо­ду Р. т. в еди­ни­цу вре­ме­ни (кг/кг то­п­ли­ва в с).

Жид­кие Р. т. под­раз­де­ля­ют на од­но- и двух­ком­по­нент­ные. К од­но­ком­по­нент­ным от­но­сят­ся про­дук­ты, не ну­ж­даю­щие­ся для сго­ра­ния в по­да­че окис­ли­те­ля из­вне. Это со­еди­не­ния ти­па эти­лен­ок­си­да, пе­рок­си­да во­до­ро­да, ор­га­нич. нит­ра­ты (в т. ч. ме­тил- и этил­нит­рат, нит­ро­гли­це­рин), ко­то­рые в ка­ме­ре сго­ра­ния дви­га­те­ля под­вер­га­ют­ся пре­вра­ще­нию с вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва те­п­ло­ты и га­зо­об­раз­ных про­дук­тов. Пе­рок­си­ды и нит­ро­ал­ка­ны об­ла­да­ют от­но­си­тель­но низ­ки­ми энер­ге­тич. по­ка­за­те­ля­ми (напр., для 100%-но­го Н₂О₂ те­п­ло­та сго­ра­ния рав­на 2,9 МДж/кг и Р_уд=145 с). Этот вид Р. т. при­ме­ня­ют в ка­че­ст­ве вспо­мо­гат. то­п­ли­ва для сис­тем управ­ле­ния и ори­ен­та­ции ле­тат. ап­па­ра­тов, при­во­дов тур­бо­на­со­сов дви­га­те­лей. Двух­ком­по­нент­ные Р. т. со­дер­жат го­рю­чее и окис­ли­тель. Го­рю­чи­ми яв­ля­ют­ся: лиг­рои­но-ке­ро­си­но­вые и ке­ро­си­но-га­зой­ле­вые неф­тя­ные фрак­ции (пре­де­лы вы­ки­па­ния 150–315 °C), жид­кие во­до­род, ме­тан, этан, про­пан, спир­ты (в т. ч. ме­ти­ло­вый, эти­ло­вый, фур­фу­ри­ло­вый), гид­ра­зин и его про­из­вод­ные (1,1-ди­ме­тил- и фе­нил­гид­ра­зи­ны), жид­кий ам­ми­ак, ани­лин, ме­тил-, ди­ме­тил- и три­ме­тил­ами­ны, бо­ро­во­до­ро­ды (ти­па де­ка­бо­ра­на, ди­бо­ра­на, пен­та­бо­ра­на), ме­талл­со­дер­жа­щие со­еди­не­ния (го­мо­ген­ные сис­те­мы) – три­эти­ла­лю­ми­ний, гид­ри­ды и бо­ро­гид­ри­ды ме­тал­лов (Аl, Li, Be), ге­те­ро­ген­ные сус­пен­зии ме­тал­лов в гид­ра­зи­не и уг­ле­во­до­ро­дах. В ка­че­ст­ве окис­ли­те­ля при­ме­ня­ют жид­кий ки­сло­род, пе­рок­сид во­до­ро­да, кон­цен­трир. азот­ную ки­сло­ту, мо­но- и ди­ок­сид азо­та, тет­ра­нит­ро­ме­тан, жид­кие фтор и хлор, OF₂, ClF₃, NO₃F. При по­да­че в ка­ме­ру сго­ра­ния дви­га­те­ля эти Р. т. мо­гут са­мо­вос­пла­ме­нять­ся (напр., азот­ная ки­сло­та с ани­ли­ном, N₂O₄ с гид­ра­зи­ном), не­ко­то­рые Р. т. не са­мо­вос­пла­ме­ня­ют­ся и тре­бу­ют по­да­чи энер­гии от вос­пла­ме­нит. уст­рой­ст­ва (напр., смесь О₂ с Н₂). При ис­поль­зо­ва­нии сус­пен­зий ме­тал­лов в го­рю­чем (напр., Be в жид­ком Н₂) мож­но по­вы­сить Р_уд. Макс. Р_уд име­ют жид­кие Р. т. (412 с для H₂ с OF₂, бо­лее 400 с для H₂ с F₂, 391с для Н₂ с О₂).

Ге­ле­об­раз­ные Р. т. – го­рю­чие ве­ще­ст­ва, за­гу­щён­ные со­ля­ми вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных ор­га­нич. ки­слот или спец. до­бав­ка­ми. Та­ки­ми го­рю­чи­ми яв­ля­ют­ся, напр., гид­ра­зин или уг­ле­во­до­ро­ды. По­вы­ше­ние Р_уд дос­ти­га­ет­ся до­бав­ле­ни­ем в сме­си го­рю­чих и окис­ли­те­лей по­рош­ков Аl или Be (напр., Р. т., в со­став ко­то­ро­го вхо­дят гид­ра­зин, Be).

Твёр­дые Р. т. под­раз­де­ля­ют на бал­ли­стит­ные (прес­со­ван­ные нит­ро­гли­це­ри­но­вые по­ро­ха) и сме­се­вые (лить­е­вые), ко­то­рые при­ме­ня­ют в ви­де ка­наль­ных ша­шек, го­ря­щих по внеш­ней ли­бо внутр. по­верх­но­сти за­ря­дов. Сме­се­вые то­п­ли­ва с Р_уд=200 с пред­став­ля­ют со­бой ге­те­ро­ген­ные сме­си, как пра­ви­ло, окис­ли­те­ля ти­па пер­хло­ра­та ам­мо­ния (60–70% по мас­се), го­рю­че­го-свя­зую­ще­го – разл. по­ли­ме­ров, кау­чу­ков – по­ли­бу­та­дие­но­во­го, нит­риль­но­го, бу­тил­кау­чу­ка (10–15%), пла­сти­фи­ка­то­ра (5–10%), по­рош­ков ме­тал­лов Al, Be, Mg или их гид­ри­дов (10–20%), от­вер­ди­те­ля (0,5–2,0%) и ка­та­ли­за­то­ров го­ре­ния (0,1–1,0%). Осн. пре­иму­ще­ст­ва твёр­дых Р.  т. пе­ред жид­ки­ми – от­сут­ст­вие не­об­хо­ди­мо­сти пред­ва­рит. за­прав­ки дви­га­те­ля то­п­ли­вом пе­ред стар­том, за­пол­не­ние дви­га­те­ля то­п­ли­вом на за­во­де, по­сто­ян­ная го­тов­ность к за­пус­ку, от­но­сит. про­сто­та кон­ст­рук­ции и экс­плуа­та­ции дви­га­те­ля; осн. не­дос­та­ток – зна­чи­тель­но мень­шее те­п­ло­со­дер­жа­ние.

Гиб­рид­ные Р. т. – сис­те­мы, со­дер­жа­щие го­рю­чее в твёр­дом со­стоя­нии в ка­ме­ре сго­ра­ния, а окис­ли­тель – в жид­ком со­стоя­нии в отд. ём­ко­сти (или на­обо­рот). Напр., го­рю­чи­ми мо­гут слу­жить от­вер­ждён­ные неф­тя­ные уг­ле­во­до­ро­ды, гид­ра­зин, по­ли­ме­ры и их сме­си с по­рош­ка­ми Al, Be, BeH₂, LiH, окис­ли­те­ля­ми – HNO₃, N₂O₄, H₂O₂, FClO₃, ClF₃, О₂, F₂, OF₂. Макс. ве­ли­чи­ну Р_уд име­ют Р. т. со­ста­ва: 395 с для BeH₂ с F₂, 375 с для ВеН₂ с Н₂О₂, 371 с для ВеН₂ с О₂.

Ядер­ные Р. т. пред­на­зна­че­ны для ис­поль­зо­ва­ния в дви­га­те­лях кос­мич. ра­кет. В ядер­ном ре­ак­то­ре про­ис­хо­дит де­ле­ние атом­ных ядер ура­на с вы­де­ле­ни­ем те­п­ло­ты. Че­рез ре­ак­тор про­ка­чи­ва­ет­ся ра­бо­чее те­ло (спирт, во­да, ам­ми­ак, во­до­род), ко­то­рое при ис­те­че­нии из дви­га­те­ля со­зда­ёт ре­ак­тив­ную си­лу. Из-за силь­но­го ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния ядер­ные Р. т. не на­шли ши­ро­ко­го при­ме­не­ния.

Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо / Хабр

Вступление

Всем привет! Мы — команда ютуб-канала Амперки, в студии и пилим видео по проектам и железкам. Однако, в какой-то момент все изменилось.

Под катом — история постройки нашей ракеты.

Шла весна 2020 года и карантин самоизоляция не щадила никого. В том числе и нас, отлученных от студии, дабы не подвергались опасности заражения заморской бациллой. Вот в этот-то период и начали активизироваться в голове старые идеи сделать то, что давно хотелось, но что было отложено в долгий ящик “когда время будет”. Наконец, то_самое_время пришло, и из того самого ящика была извлечена мысль о постройке собственной ракеты, еще и подстёгнутая недавним успешным пуском в эксплуатацию “батута” от SpaceX.

Так как сделать такой серьезный проект за один заход не получится, разделим его для удобства на составные части (список будет пополняться по мере работы):

1. Часть 1. Теория ракетных двигателей. Карамельное топливо
2. Часть 2: Корпус двигателя, расчет сопла
3. Часть 3: Токарка, допилы стенда, электроника
4. Часть 4: Сборка двигателя и огневые испытания
5. Часть 5: Разбор полетов, ремонт
6. Часть 6: Тестовые шашки, перхлоратное топливо, стенд для тестов скорости горения
7. Часть 7-8: парашютная система, бомба Кроуфорда и испытания под давлением

Также просим учесть, что статьи, как и серии выпускаются не по выполненным этапам, а по привязке ко времени, то есть, что сделали за неделю, то и пишем/показываем.

Ракетостроение, в целом, наука комплексная, сложная и многогранная. Релевантного опыта у нас не было, не кончали мы институтов по этому направлению, но есть руки, голова, желание — а это уже многое, так что, как говаривал Юрий Алексеевич, поехали.

Теория ТТРД

Что такое реактивное движение, (для тех, кто, вдруг, не в курсе) много говорить не будем: если в двух словах, то это движение за счет отброса массы в противоположную сторону от направления движения. Про всякие экзотические конструкции двигателей типа ядерных, ионных и иже с ними говорить не будем — одна не предназначены для работы в атмосфере, другие слишком сложны и не воспроизводимы в любительских условиях и т.д., поэтому остановимся на простых, но доступных простому обывателю конструкциях, которые при желании можно повторить практически в домашних условиях, а именно — химических. В таких двигателях реактивная струя получается за счет химической реакции топлива и окислителя (в некоторых случаях роль окислителя может играть атмосферный кислород).

Итак, химические двигатели (ХРД), по агрегатному состоянию топлива классифицируются на жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (ТТРД), так что выбирать будем из них. ЖРД весьма удобны, так как позволяют управлять тягой, однако требуют применения в своей конструкции сложных систем форсунок в камере сгорания и не менее сложных систем подачи топлива. Одно только проектирование ЖРД, даже самого примитивного, займет у нас месяцы, а, следовательно, это не наш вариант. Альтернативой могут стать ТТРД за счет простоты своей конструкции и значительно меньшими требованиями к топливу. Да, у нас не выйдет точно дозировать тягу. Точнее, мы ее совсем не сможем дозировать. Однако, есть некоторые аспекты, на которых мы можем сыграть, об этом и пойдет речь дальше.

Виды смесевого топлива

Самым первым, и, соответственно, примитивным топливом для ракет был порох: сначала дымный, а затем и бездымный. Китайцы, придумав эту горючую смесь, быстро догадались, что она не только может делать бух и много света, а еще и толкать снаряд, постепенно сгорая внутри него. Толку от него, конечно, мало, годится только для фейерверков, да и удельный импульс оставляет желать лучшего. Эволюцией бездымного пороха стали гомогенные (однокомпонентные) составы на основе нитроцеллюлозы. Они достаточно неприхотливы в хранении и эксплуатации, а также достаточно экологичны, однако имеют все тот же недостаток в виде слабого удельного импульса.

Намного лучший результат показывают смесевые составы из горючего и окислителя. Чаще всего в качестве такой пары применяют окислители из перхлоратов с горючим из порошка металлов и полимеров или широко известное в кругах моделистов-любителей “карамельное топливо”, где в качестве окислителя используются нитраты (селитры) и сложные углеводы (сахар, сорбит) в роли горючего. Вот как раз последние два варианта (перхлоратное и карамельное) топливо мы и выбрали в качестве подопытных для нашей ракеты.

Расчет двигателя

Важнейшая характеристика твердого топлива — это скорость его горения, зачастую это значение — константа для определенного состава топлива. Горение распространяется по поверхности. Если просто поджечь конец цилиндрической топливной шашки, то мы получим торцевое горение, которое даст длительное равномерное прогорание, однако, получить при этом достаточную тягу для подъема ракеты в воздух не выйдет. Для повышения эффективности нужно сделать в топливе канал, по которому будет распространяться горение, повысив тем самым его площадь. Также нужно учитывать, что по мере выгорания профиль канала будет меняться, следовательно, будет меняться эффективная площадь. Можно, конечно, долго экспериментировать с различными профилями, однако, это все уже сделано до нас и упаковано в удобный программный инструментарий.

В программу можно внести все необходимые параметры и получить графики тяги, которую будет развивать ракета. В графе Grain configuration под знаком вопроса есть описательный мануал по различным профилям канала.

Опытным путем, применяя различные конфигурации канала мы нашли оптимальные параметры для нашей ракеты. Для получения таких же показателей нужно ввести такие значения:

Форму канала мы выбрали Moon burner. Умный Meteor c учетом введенных данных построил нам вот такой график:

Из этой диаграммы понимаем, что двигатель со старта получит хороший пинок и будет развивать весьма неплохую тягу на протяжении всего времени работы. По расчетам программы пиковое значение тяги получилось без малого 312 Н при пиковом давлении в 24.5 бар. Средние значения оказались около 265 Н и 19.5 бар соответственно.

Еще одним неоспоримым плюсом программы является возможность прямого экспорта рассчитанных значений в другую не менее полезную для нас программу — OpenRocket, при помощи которой мы будем рассчитывать стабильность ракеты, оперение, балансировку и другие важные показатели, но это будет уже в следующей серии.

Однако, не топливом единым жив начинающий ракетостроитель. Не менее важное значение имеет сопло. По этому принципу РД делятся на сопловые и бессопловые. Последние, технически, имеют дозвуковое сопло, являющееся, по сути, просто отверстием или конусом в нижней части двигателя. Дозвуковым оно называется по той причине, что истекающие через него газы не могут достигать, а уж тем более, превосходить скорость звука, сколько бы не наращивалось давление в камере сгорания, об этом нам говорит гидродинамика. А против физики, как известно, не попрёшь. Тем не менее, такие сопла за счет своей простоты применяются в малых любительских ракетах, а также в фейерверках. Но мы же делаем ракету, значит, дозвуковые сопла — не наш путь.

Альтернативным решением является сверхзвуковое сопло или, как его еще называют по имени изобретателя, — сопло Лаваля. В упрощенном варианте представляет собой два усеченных конуса, сопряженных узкими концами. Место сопряжения называется критической точкой.

Принцип его действия напоминает принцип, на котором работает холодильник: газы, проходя “узкое горлышко” и попадая в бОльший объем резко охлаждаются, за счет чего уменьшается их объем, что приводит увеличению скорости их истечения. В результате, за счет перепада диаметра выпускного отверстия мы получаем на выходе струю газа, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Таким образом, применив сопло Лаваля мы значительно повышаем КПД ракеты.

К слову, Meteor проводит расчеты, подразумевая, что на двигателе установлено как раз сверхзвуковое сопло, расчет и изготовление которого также оставим на следующий выпуск.

Итак, характеристики, параметры и габариты двигателя у нас есть, можно приступать к варке топлива.

Изготовление топливных шашек

Первым топливом у нас будет карамельное, готовить будем из сорбита и калиевой селитры. Сорбит можно купить в аптеке, он используется как сахарозаменитель. Калиевую селитру можно найти в садово-огородном отделе, но там она довольно грязная, поэтому купили ч/чда в Русхиме.

Простейший способ — измельчить компоненты до состояния мелкодисперсного порошка и смешать, но тогда топливо остается сыпучим и не будет держать форму. Решено сплавить компоненты вместе. Некоторые бесстрашные любители делают это в сковородках, на открытом огне, даже, бывает на костре, но нам дороги наши пальцы и глаза. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:

• самая дешевая электроплитка из Леруа
• твердотельное реле
• модуль термопары К-типа
• ардуино
• потенциометр
• дисплей
• выпарительная чаша
• форма для выпекания из FixPrice
• песок соль

Из плиты выбрасываем ее родной регулятор и ставим в разрез твердотельное реле, управлять которым будем через Ардуино, к которой подключим дисплей и потенциометр, чтобы видеть текущую температуру и иметь возможность ее настройки. В форме для выпекания проделываем отверстие и вставляем термопару. Заполняем форму примерно наполовину

песком

солью (песка под рукой не оказалось, зато рядом был продуктовый магазин, на качество это не повлияет). Это нужно для создания среды с большой тепловой инерцией. Кстати, соль лучше брать “экстра”, так как более крупная при нагреве начинает раскалываться и стрелять в разные стороны, устраивая Сталинград. В центре солевой бани устанавливаем выпарительную чашу, предварительно положив под ее дно щуп термопары. Контролировать процесс будем через первый попавшийся релейный регулятор для Ардуино. Проверяем пирометром разность температур между показаниями термопары и температуры чаши, вносим соответствующие коррективы.

Meteor заботливо подсчитал массу топлива, которая составила 838г, возьмем с запасом, еще пригодится. Решено было сделать топливный заряд из нескольких шашек для простоты их изготовления. Потом можно будет их просто склеить между собой и вставить в корпус двигателя.

Не забываем про технику безопасности: вблизи топлива не должно быть никаких источников открытого огня, раскаленных предметов и чего-либо, что может вызвать возгорание.

Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита, аккуратно засыпаем в чашу и добавляем немного воды. Это и нервы успокоит, и избавит от необходимости измельчать компоненты в пыль, так как в воде они и без того хорошо растворятся и смешаются. Ставим на огонь, выставляем температуру и ждем, постоянно помешивая. Постепенно полученная каша расплавится и станет похожа на овсянку. Надо дождаться выпаривания всей лишней воды (это можно будет понять по прекратившемуся выходу кипящих пузырьков).

Дальше надо действовать решительно: в заранее подготовленную водопроводную ПВХ-трубу, зафиксированную в держателе с внутренним креплением под круглую ось будем запрессовывать топливо.

После извлечения оси у нас как раз останется канал запала по всей длине шашки. Запрессовывать удобно при помощи держателя для дрели, такой очень удачно нашелся в студии. Важно запрессовать топливо таким образом, чтобы внутри шашки не оказалось пузырей и полостей, иначе это потом негативно скажется на горении.

Трубу с топливом откладываем и оставляем до остывания. Затем ее можно будет распилить и достать шашку. Мы сделали несколько штук, одну из них сожжем в целях эксперимента.

В следующем выпуске займемся корпусом двигателя, соплом и испытательным стендом.

А пока мы его готовим, рекомендую почитать следующую книжку про проектирование ЗУРов. Из нее была почерпнута бОльшая часть информации.

Вся серия целиком:

ПРОПЕЛЛАНТЫ

ПРОПЕЛЛАНТЫ

Обычно используемые химические ракетные топлива обеспечивают удельные значения импульса.

в диапазоне от примерно 175 до примерно 300 секунд. Самый энергичный

химические ракетные топлива теоретически способны к удельным импульсам до

примерно до 400 секунд.

Высокие значения удельного импульса достигаются за счет высокого расхода отработавших газов.

температуре и от выхлопных газов, имеющих очень низкий (молекулярный) вес.

Следовательно, чтобы быть эффективным, топливо должно иметь большую теплоту

сгорание с получением высоких температур, и должно производить сгорание

продукты, содержащие простые легкие молекулы, содержащие такие элементы, как

водород (самый легкий), углерод, кислород, фтор и более легкий

металлы (алюминий, бериллий, литий).

Еще одним важным фактором является плотность топлива. заданный вес

плотного топлива можно перевозить в меньшем и более легком баке, чем

такой же вес топлива низкой плотности. Жидкий водород, например,

является энергичным, а его дымовые газы легкие. Однако это очень

громоздкое вещество, требующее больших резервуаров. Собственный вес этих танков

частично компенсирует высокий удельный импульс водородного топлива.

Другие критерии также должны учитываться при выборе топлива. Некоторый

химические вещества, которые дают отличный удельный импульс, создают проблемы в

работа двигателя. Некоторые из них не подходят в качестве хладагентов для горячего

стенки упорной камеры. Другие проявляют особенности горения, которые

сделать их использование затруднительным или невозможным. Некоторые из них неустойчивы к изменению

градусов, и его нельзя безопасно хранить или обрабатывать. Такие особенности препятствуют

их использование для ракетных двигателей.

К сожалению, почти любое топливо с хорошими характеристиками подходит для

быть очень активным химическим веществом; следовательно, большинство топлив являются коррозионными,

легковоспламеняющиеся или токсичные, и часто все три. Один из самых послушных

жидкое топливо — бензин. Но хотя сравнительно просто

использования, бензин, конечно же, легко воспламеняется, и с ним следует обращаться осторожно.

уход. Многие ракетные топлива высокотоксичны, даже в большей степени, чем

большинство боевых газов; некоторые из них настолько агрессивны, что только несколько специальных

вещества могут быть использованы для их сдерживания; некоторые могут сгореть самопроизвольно

при контакте с воздухом, или при контакте с любым органическим веществом, или в

некоторых случаях при контакте с наиболее распространенными металлами.

Также важным фактором при выборе ракетного топлива является его

доступность. В некоторых случаях для получения достаточного количества

топлива, необходимо построить целый новый химический завод. И потому что

некоторые пропелленты используются в очень больших количествах, наличие

необходимо учитывать сырье.

B. ТВЕРДОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

Используются два основных типа твердого топлива. Первое, так называемое двухосновное топливо, состоит из нитроцеллюлозы и нитроглицерина, а также добавок в небольшом количестве. Нет раздельного горючего и окислителя. Молекулы нестабильны и при воспламенении распадаются и перестраиваются, выделяя большое количество тепла. Это топливо хорошо подходит для небольших ракетных двигателей. Они часто обрабатываются и формируются методами экструзии, хотя также применяется литье.

Другой тип твердого топлива — композитный. Здесь используются отдельные топливо и окисляемые химикаты, тщательно смешанные с твердым зерном. Окислителем обычно является нитрат аммония, хлорат калия или хлорат аммония, и он часто составляет до четырех пятых или более всей топливной смеси. В качестве топлива используются углеводороды, такие как соединения асфальтового типа или пластмассы. Поскольку окислитель не обладает значительной структурной прочностью, топливо должно не только хорошо работать, но и придавать зерну необходимую форму и жесткость. Большая часть исследований в области твердого топлива посвящена улучшению как физических, так и химических свойств топлива.

Обычно при переработке твердого топлива компоненты горючего и окислителя готовят к смешиванию отдельно, при этом окислитель представляет собой порошок, а горючее — жидкость различной консистенции. Затем их смешивают в тщательно контролируемых условиях и заливают в подготовленный корпус ракеты в виде вязкого полутвердого вещества. Затем их заставляют затвердевать в камерах для отверждения при контролируемой температуре и давлении.

Преимущество твердотопливных двигателей состоит в минимальном техническом обслуживании и мгновенной готовности. Однако для более энергичных твердых веществ могут потребоваться тщательно контролируемые условия хранения, и могут возникнуть проблемы с обращением с очень большими размерами, поскольку ракету всегда нужно перевозить полностью загруженной. Необходима защита от механических ударов или резких перепадов температуры, которые могут привести к растрескиванию зерна.

В большинстве жидкостных химических ракет используется два отдельных топлива: горючее и окислитель. Типичные виды топлива включают керосин, спирт, гидразин и его производные, а также жидкий водород. Многие другие были испытаны и использованы. Окислители включают азотную кислоту, четырехокись азота, жидкий кислород и жидкий фтор. Одними из лучших окислителей являются сжиженные газы, такие как кислород и фтор, которые существуют в жидком состоянии только при очень низких температурах; это значительно усложняет их использование в ракетах. Большинство видов топлива, за исключением водорода, при обычных температурах представляют собой жидкости.

Определенные комбинации пропеллентов являются гиперголическими ; то есть они самовозгораются при контакте горючего и окислителя. Другим требуется воспламенитель, чтобы начать их горение, хотя они будут продолжать гореть при попадании в пламя камеры сгорания.

В целом, обычно используемые жидкие ракетные топлива дают удельный импульс выше, чем у доступных твердых веществ. С другой стороны, они требуют более сложных систем двигателя для перекачки жидкого топлива 9.0009

87162 °-59-4

к камере сгорания. Список, показывающий характеристики твердого и жидкого топлива, приведен в таблице 1.

Комбинации пороха:                                                                                  Isp Range

Monopropellants ( liquid ):                                                                    (sec)
Low-energy monopropellants________________________ 160 to 190.
Hydrazine
Ethylene oxide
Hydrogen peroxide

High-energy monopropellants:

Nitromethane_______________________________ 190 to 230

Bipropellants (liquid):

Низкоэнергетические двухкомпонентные топлива___________________________ от 200 до 230.
Перхлорилфторид – Доступное топливо
Аналин-кислота
JP-4-кислота
Перекись водорода-JP-4

Бипропелленты средней энергии________________________ от 230 до 260. JP-4
Жидкий кислород-спирт
Гидразин-трифторид хлора

Очень высокоэнергетические двухкомпонентные топлива ____________________________ от 270 до 330.

Жидкий кислород и фтор-JP-4
Жидкий кислород и озон-JP-4
Жидкий кислород-гидразин

Супер высокоэнергетические бипропеллянты ___________________________ 300 до 385.

фтор-гидроген
Флуорин-Аммония
Озоново-гидроген
. или асфальт_____________________________ от 170 до 210.

Перхлорат аммония:

Тиокол__________________________________________ от 170 до 210.
Каучук__________________________________________ от 170 до 210.
Полиуретан_________________________________ от 210 до 250.
Нитрополимер_________________________________ от 210 до 250.

Нитрат аммония:

Полиэстер_________________________________ от 170 до 210.
Каучук__________________________________________ от 170 до 210.

Нитрополимер_________________________________ От 210 до 250.

Двойное основание_______________________________________ От 170 до 250.
Компоненты металлического бора и окислитель_________________ От 200 до 250.
Компоненты металлического лития и окислитель ________________ от 200 до 250.
Компоненты металлического алюминия и окислитель ________________ от 200 до 250.
Компоненты металлического магния и окислитель ________________ от 200 до 250.
Пропелленты перфторированного типа____________________________ 250 и выше.

¹ Некоторые соображения, касающиеся космической навигации, Aerojet-General Corp.. Специальный представитель. № 1460, май 1958 г.

Жидкий кислород является стандартным окислителем, используемым в крупнейших ракетных двигателях США. Он химически стабилен и не вызывает коррозии, но его чрезвычайно низкая температура затрудняет перекачку, вентилирование и хранение. Контакт с органическими материалами может привести к возгоранию или взрыву.

Азотная кислота и четырехокись азота являются обычными промышленными химическими веществами. Хотя они вызывают коррозию некоторых веществ, существуют материалы, которые безопасно удерживают эти жидкости. Четырехокись азота, поскольку она кипит при довольно низких температурах, должна быть в некоторой степени защищена.

Жидкий фтор представляет собой вещество с очень низкой температурой, сравнимое с жидким кислородом, а также очень токсичное и вызывающее коррозию вещество. Кроме того, продукты его сгорания чрезвычайно агрессивны и опасны; следовательно, использование фтора создает проблемы при испытаниях и эксплуатации ракетных двигателей.

Большинство жидких топлив, за исключением водорода, очень похожи по характеристикам и удобству использования. Обычно это вполне послушные вещества. Водород, однако, существует в виде жидкости только при очень низких температурах — даже ниже, чем жидкий кислород; следовательно, с ним очень трудно обращаться и хранить. Кроме того, при попадании в воздух он может образовать взрывоопасную смесь. Это очень объемное вещество, примерно в 14 раз менее плотное, чем вода. Тем не менее, он предлагает наилучшие характеристики среди всех видов жидкого топлива.

Некоторые нестабильные жидкие химические вещества, которые при надлежащих условиях разлагаются и выделяют энергию, пробовали использовать в качестве ракетного топлива. Однако их характеристики уступают характеристикам двухкомпонентных или современных твердотопливных двигателей, и они представляют наибольший интерес для довольно специализированных приложений, таких как небольшие управляемые ракеты. Выдающимися примерами этого типа пропеллента являются перекись водорода и окись этилена. ¹

Использование более чем двух химикатов в качестве топлива в ракетах никогда не привлекало большого внимания и в настоящее время не считается выгодным. Иногда отдельное топливо используется для работы газогенератора, который подает газ для привода турбонасосов жидкостных ракет. В Фау-2, например, перекись водорода разлагалась для подачи горячего газа для основных турбонасосов, хотя основными ракетными топливами были спирт и жидкий кислород.

Если определенные молекулы разорвать на части, они отдадут большое количество энергии при рекомбинации. Было предложено использовать такие нестабильные фрагменты, называемые свободными радикалами, в качестве ракетного топлива. Трудность, однако, состоит в том, что эти виды имеют тенденцию к рекомбинации, как только они формируются; следовательно, центральной проблемой при их использовании является разработка метода стабилизации. Наиболее перспективным из этих веществ является атомарный водород. Использование атомарного водорода может дать удельный импульс от 1200 до 1400 секунд. ²

Такие устройства, как ядерная ракета, должны использовать какое-либо химическое вещество в качестве рабочей жидкости или топлива, хотя никакая химическая реакция не передает энергию ракете. Все тепло идет от реактора. Поскольку основное внимание уделяется минимизации молекулярной массы выхлопных газов, жидкий водород является лучшим из рассмотренных веществ.

¹ North American Aviation, Inc., пресс-релиз NL-45, 15 октября 19 г.58.

² Космические двигатели с использованием ядерной энергии, слушания перед подкомитетами Объединенного комитета по атомной энергии, Конгресс США, 85-й конгресс, 2-я сессия, 22, 23 января и 6 февраля 1958 г., подполковник П. , Аткинсон, с. 145.

, и маловероятно, что можно найти какое-либо вещество с превосходными характеристиками. Проблемы обращения с жидким водородом для ядерной ракеты такие же, как и для химической ракеты.

Еще одним веществом, упомянутым для использования в качестве топлива в ядерной ракете, является аммиак. Предлагая лишь около половины удельного импульса водорода при той же температуре реактора из-за его большей молекулярной массы, он представляет собой жидкость при разумных температурах и с ним легко обращаться. Его плотность также намного больше, чем у водорода, и примерно такая же, как у бензина.

Пропелленты, подходящие для использования в электрических движителях, представляют собой легко ионизируемые металлы. Наиболее часто рассматривается цезий; следующими лучшими являются рубидий, калий, натрий и литий.

Некоторые нетрадиционные подходы в области топлива включают следующее:

³ Начато исследование инкапсулированного жидкого топлива, Aviation Week, vol. 69, № 19, 10 ноября 1958 г., с. 29.

Твердотопливный ракетный двигатель