Rakettbrensel inneholder drivstoff og oksidasjonsmiddel, og trenger i motsetning til jetbrensel ikke en ekstern komponent: luft eller vann. Rakettbrensel, i henhold til sin aggregeringstilstand, er delt inn i flytende, fast og hybrid. Flytende drivstoff er delt inn i kryogen (med kokepunktet til komponentene under null grader Celsius) og høyt kokende (resten). Faste drivstoff består av en kjemisk forbindelse, en fast løsning eller en myknet blanding av komponenter. Hybridbrensel består av komponenter i forskjellige aggregatstater, og er for tiden på forskningsstadiet.
Historisk sett var det første rakettdrivstoffet svart pulver, en blanding av saltpeter (oksydator), trekull (drivstoff) og svovel (bindemiddel), som først ble brukt i kinesiske raketter på 2. århundre e. Kr. Ammunisjon med en solid rakettmotor (solid rakettmotor) ble brukt i militære saker som et brann- og signalmiddel.
Etter oppfinnelsen av røykfritt pulver på slutten av 1800-tallet ble det utviklet et enkomponent ballistittdrivstoff på grunnlag av dette, bestående av en fast løsning av nitrocellulose (drivstoff) i nitroglyserin (et oksidasjonsmiddel). Ballistittdrivstoff har en mengde høyere energi sammenlignet med svart pulver, har høy mekanisk styrke, er godt dannet, beholder kjemisk stabilitet i lang tid under lagring og har en lav kostpris. Disse egenskapene forutbestemte den utbredte bruken av ballistisk drivstoff i den mest massive ammunisjonen utstyrt med solide drivgasser - raketter og granater.
Utviklingen i første halvdel av det tjuende århundre av vitenskapelige disipliner som gassdynamikk, forbrenningsfysikk og kjemien til høyenergiforbindelser gjorde det mulig å utvide sammensetningen av rakettbrensel ved bruk av flytende komponenter. Den første kampraketten med en rakettmotor med flytende drivstoff (LPRE) "V -2" brukte en kryogen oksydator - flytende oksygen og et høyt kokende drivstoff - etylalkohol.
Etter andre verdenskrig fikk rakettvåpen en prioritet i utviklingen fremfor andre typer våpen på grunn av deres evne til å levere atomladninger til et mål på hvilken som helst avstand - fra flere kilometer (rakettsystemer) til interkontinentalt område (ballistiske missiler). I tillegg har rakettvåpen betydelig erstattet artillerivåpen innen luftfart, luftvern, bakkestyrker og marinen på grunn av mangel på rekylstyrke ved oppskytning av ammunisjon med rakettmotorer.
Samtidig med ballistisk og flytende rakettbrensel, ble multikomponentblandede faste drivmidler utviklet som de mest egnet for militær bruk på grunn av deres brede temperaturområde, eliminering av faren for søl av komponenter, lavere kostnader for rakettmotorer med fast drivstoff på grunn av fravær av rørledninger, ventiler og pumper med høyere trykk per vektenhet.
De viktigste egenskapene til rakettbrensel
I tillegg til tilstanden for aggregering av komponentene, er rakettbrensel preget av følgende indikatorer:
- spesifikk trykkimpuls;
- termisk stabilitet;
- kjemisk stabilitet;
- biologisk toksisitet;
- tetthet;
- røyking.
Den spesifikke trykkimpulsen til rakettbrensel avhenger av trykket og temperaturen i motorens forbrenningskammer, så vel som molekylær sammensetning av forbrenningsproduktene. I tillegg er den spesifikke impulsen avhengig av ekspansjonsforholdet til motorens dyse, men dette er mer relatert til det eksterne miljøet til rakettteknologi (luftatmosfære eller verdensrommet).
Økt trykk oppnås ved bruk av konstruksjonsmaterialer med høy styrke (stållegeringer for rakettmotorer og organoplast for faste drivmidler). I dette aspektet er rakettmotorer med flytende drivstoff foran solid drivstoff på grunn av kompaktiteten til fremdriftsenheten i sammenligning med karosseriet til en motor med fast drivstoff, som er et stort forbrenningskammer.
Høy temperatur på forbrenningsproduktene oppnås ved å tilsette metallaluminium eller en kjemisk forbindelse - aluminiumhydrid til det faste drivstoffet. Flytende drivstoff kan bare bruke slike tilsetningsstoffer hvis de er tykkere med spesielle tilsetningsstoffer. Termisk beskyttelse av rakettmotorer med flytende drivstoff gis ved kjøling med drivstoff, termisk beskyttelse av faste drivstoff-ved å feste drivstoffblokken godt til motorens vegger og bruk av utbrentingsinnlegg laget av karbon-karbonkompositt i den kritiske delen av munnstykket.
Den molekylære sammensetningen av forbrennings- / nedbrytningsproduktene til drivstoffet påvirker strømningshastigheten og aggregasjonstilstanden ved dyseutgangen. Jo lavere vekten av molekylene er, desto høyere strømningshastighet: de mest foretrukne forbrenningsproduktene er vannmolekyler, etterfulgt av nitrogen, karbondioksid, kloroksider og andre halogener; minst foretrukket er aluminiumoksyd, som kondenserer til et fast stoff i motordysen og derved reduserer volumet av ekspanderende gasser. I tillegg tvinger aluminiumoksydfraksjonen til bruk av koniske dyser på grunn av slitasjen på de mest effektive parabolske Laval -dysene.
For militære rakettbrensel er deres termiske stabilitet spesielt viktig på grunn av det brede temperaturområdet for rakettteknologisk drift. Derfor ble kryogene flytende drivstoff (oksygen + parafin og oksygen + hydrogen) bare brukt på det første stadiet av utviklingen av interkontinentale ballistiske missiler (R-7 og Titan), samt for oppskytningskjøretøyer for gjenbrukbare romfartøyer (romferge og Energia) beregnet på å skyte opp satellitter og romvåpen i bane med lav jord.
For tiden bruker militæret utelukkende høyt kokende flytende drivstoff basert på nitrogentetroksid (AT, oksydator) og asymmetrisk dimetylhydrazin (UDMH, drivstoff). Den termiske stabiliteten til dette drivstoffparet bestemmes av kokepunktet til AT (+ 21 ° C), som begrenser bruken av dette drivstoffet av missiler under termostaterte forhold i ICBM- og SLBM -missilsiloer. På grunn av komponentenes aggressivitet var / eies teknologien for produksjon og drift av missiltanker av bare ett land i verden - USSR / RF (ICBMs "Voevoda" og "Sarmat", SLBMs "Sineva" og " Liner "). Som et unntak brukes AT + NDMG som drivstoff for cruisemissiler Kh-22 Tempest-fly, men på grunn av problemer med bakkedrift er Kh-22 og deres neste generasjon Kh-32 planlagt erstattet med jetdrevne Zircon cruisemissiler som bruker parafin som drivstoff.
Den termiske stabiliteten til faste brensler bestemmes hovedsakelig av de tilsvarende egenskapene til løsningsmidlet og polymerbindemiddelet. I sammensetningen av ballistittbrensel er løsningsmidlet nitroglyserin, som i en fast løsning med nitrocellulose har et temperaturområde for drift fra minus til pluss 50 ° C. I blandede drivstoff brukes forskjellige syntetiske gummier med samme driftstemperaturområde som et polymerbindemiddel. Den termiske stabiliteten til hovedkomponentene i fast brensel (ammonium dinitramid + 97 ° C, aluminiumhydrid + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, ammoniumperklorat og HMX + 200 ° C) overstiger imidlertid vesentlig den lignende egenskapen til kjente bindemidler, og derfor er det relevant søk etter deres nye komposisjoner.
Det mest kjemisk stabile drivstoffparet er AT + UDMG, siden det er utviklet en unik innenlandsk teknologi for ampulisert lagring i aluminiumstanker under et lite overskytende nitrogentrykk i nesten ubegrenset tid. Alle faste drivstoff nedbrytes kjemisk over tid på grunn av den spontane nedbrytningen av polymerer og deres teknologiske løsningsmidler, hvoretter oligomerer kommer i kjemiske reaksjoner med andre, mer stabile drivstoffkomponenter. Derfor trenger faste drivgassbrikker regelmessig utskifting.
Den biologisk giftige komponenten i rakettbrensel er UDMH, som påvirker sentralnervesystemet, slimhinnene i øynene og fordøyelseskanalen i menneskene, og provoserer kreft. I denne forbindelse utføres arbeid med UDMH i isolerende kjemiske beskyttelsesdrakter med bruk av frittstående pusteapparat.
Verdien av drivstofftettheten påvirker massen til LPRE -drivstofftankene og det faste drivstoffrakettlegemet: jo høyere tetthet, desto mindre er rakettens parasittmasse. Den laveste tettheten til hydrogen + oksygen drivstoffpar er 0,34 g / cu. cm, har et par parafin + oksygen en tetthet på 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglyserin - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminiumhydrid + perklorat / ammonium dinitramid - 1,7 g / cm3, HMX + ammoniumperklorat - 1,9 g / cm3. I dette tilfellet må det tas i betraktning at den faste drivstoffrakettmotoren for aksial forbrenning, tettheten av drivstoffladningen er omtrent to ganger mindre enn drivstoffets tetthet på grunn av den stjerneformede delen av forbrenningskanalen, som brukes å opprettholde et konstant trykk i forbrenningskammeret, uavhengig av graden av drivstoffforbrenning. Det samme gjelder ballistisk brensel, som er dannet som et sett med belter eller pinner for å forkorte brenntiden og akselerasjonsavstanden til raketter og raketter. I motsetning til dem sammenfaller tettheten av drivstoffladningen i rakettmotorer med fast drivstoff for sluttforbrenning basert på HMX sammen med den maksimale tettheten som er angitt for den.
Den siste av hovedkarakteristikkene til rakettbrensel er røyken fra forbrenningsprodukter, som visuelt avmasker flukten av raketter og raketter. Denne egenskapen er iboende i faste drivstoff som inneholder aluminium, hvis oksider kondenseres til fast tilstand under ekspansjon i rakettmotordysen. Derfor brukes disse drivstoffene i faste drivmidler til ballistiske missiler, hvis aktive del av banen er utenfor fiendens siktlinje. Flyraketter drives med HMX- og ammoniumperkloratdrivstoff, raketter, granater og antitank -missiler - med ballistisk drivstoff.
Energi fra rakettbrensel
For å sammenligne energikapasiteten til forskjellige typer rakettbrensel, er det nødvendig å sette sammenlignbare forbrenningsforhold for dem i form av trykk i forbrenningskammeret og ekspansjonsforholdet til rakettmotordysen - for eksempel 150 atmosfærer og 300 ganger ekspansjon. Så, for drivstoffpar / trillinger, vil den spesifikke impulsen være:
oksygen + hydrogen - 4,4 km / s;
oksygen + parafin - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammoniumdinitramid + hydrogenhydrid + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperklorat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperklorat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitroglyserin - 2,5 km / s.
Fast brensel basert på ammonium dinitramid er en innenlandsk utvikling på slutten av 1980-tallet, det ble brukt som drivstoff for andre og tredje trinn av RT-23 UTTKh og R-39 missiler og har ennå ikke blitt overgått i energikarakteristikker av de beste prøvene av fremmed drivstoff basert på ammoniumperklorat. brukt i Minuteman-3 og Trident-2 missiler. Ammoniumdinitramid er et eksplosiv som detonerer selv fra lysstråling; derfor utføres produksjonen i rom som er opplyst av røde lamper med lav effekt. Teknologiske vanskeligheter tillot ikke å mestre prosessen med å produsere rakettbrensel på grunnlag av noe sted i verden, bortsett fra i Sovjetunionen. En annen ting er at den sovjetiske teknologien rutinemessig ble implementert bare på Pavlograd kjemiske fabrikk, som ligger i Dnepropetrovsk -regionen i den ukrainske SSR, og gikk tapt på 1990 -tallet etter at anlegget ble omgjort til å produsere husholdningskjemikalier. Men etter de taktiske og tekniske egenskapene til lovende våpen av typen RS-26 "Rubezh" å dømme, ble teknologien restaurert i Russland på 2010-tallet.
Et eksempel på en meget effektiv sammensetning er sammensetningen av fast rakettbrensel fra russisk patent nr. 2241693, eid av Federal State Unitary Enterprise Perm Plant oppkalt etter CM. Kirov :
oksidasjonsmiddel - ammonium dinitramid, 58%;
drivstoff - aluminiumhydrid, 27%;
myknemiddel - nitroisobutyltrinitrateglyserin, 11, 25%;
bindemiddel - polybutadien nitrilgummi, 2, 25%;
herder - svovel, 1,49%;
forbrenningsstabilisator - ultrafint aluminium, 0,01%;
tilsetningsstoffer - carbon black, lecithin, etc.
Utsikter for utvikling av rakettbrensel
De viktigste retningene for utvikling av flytende rakettbrensel er (i prioriteringsrekkefølge for implementering):
- bruk av underkjølt oksygen for å øke tettheten til oksydasjonsmidlet;
- overgang til en drivstoffdamp oksygen + metan, hvis brennbare komponent har 15% høyere energi og 6 ganger bedre varmekapasitet enn parafin, med tanke på at aluminiumstanker herdes ved temperaturen av flytende metan;
- å tilsette ozon til oksygenblandingen på 24% for å øke oksydasjonsmiddelets kokepunkt og energi (en stor andel ozon er eksplosiv);
- bruk av tiksotropisk (fortykket) drivstoff, hvis komponenter inneholder suspensjoner av pentaboran, pentafluorid, metaller eller hydrider derav.
Superkjølt oksygen brukes allerede i Falcon 9-oppskytningsbilen; rakettmotorer med oksygen + metan blir utviklet i Russland og USA.
Hovedretningen i utviklingen av faste rakettbrensel er overgangen til aktive bindemidler som inneholder oksygen i molekylene, noe som forbedrer oksidasjonsbalansen for faste drivstoff som helhet. En moderne hjemmeprøve av et slikt bindemiddel er polymersammensetningen "Nika-M", som inkluderer sykliske grupper av dinitrildioksid og butylendiolpolyeteruretan, utviklet av State Research Institute "Kristall" (Dzerzhinsk).
En annen lovende retning er utvidelsen av serien av brukte nitraminsprengstoff, som har en høyere oksygenbalanse sammenlignet med HMX (minus 22%). Først og fremst er disse hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, oksygenbalanse minus 10%) og octanitrocubane (null oksygenbalanse), hvor utsikterne er avhengig av å redusere kostnadene ved produksjonen-for tiden er Cl-20 en størrelsesorden dyrere enn HMX, er oktonitrokuban en størrelsesorden dyrere enn Cl -tjue.
I tillegg til å forbedre de kjente komponenttypene, forskes det også i retning av å lage polymerforbindelser, hvis molekyler utelukkende består av nitrogenatomer forbundet med enkeltbindinger. Som et resultat av dekomponering av en polymerforbindelse under virkningen av oppvarming, danner nitrogen enkle molekyler av to atomer forbundet med en trippelbinding. Energien som frigjøres i dette tilfellet er dobbelt så mye energi som nitraminsprengstoff. For første gang ble nitrogenforbindelser med et diamantlignende krystallgitter oppnådd av russiske og tyske forskere i 2009 under forsøk på et felles pilotanlegg under påvirkning av et trykk på 1 million atmosfærer og en temperatur på 1725 ° C. For tiden pågår det arbeid for å oppnå metastabil tilstand av nitrogenpolymerer ved vanlig trykk og temperatur.
Høyere nitrogenoksider er lovende oksygenholdige kjemiske forbindelser. Det velkjente nitrogenoksydet V (et flatt molekyl som består av to nitrogenatomer og fem oksygenatomer) har ingen praktisk verdi som komponent i fast brensel på grunn av det lave smeltepunktet (32 ° C). Undersøkelser i denne retningen utføres ved å lete etter en metode for syntese av nitrogenoksid VI (tetra-nitrogenheksaoksid), hvis rammemolekyl har formen som et tetraeder, i hjørnene av hvilke det er fire nitrogenatomer bundet til seks oksygenatomer plassert på kantene av tetraederet. Den fullstendige nedleggelsen av interatomiske bindinger i molekylet av nitrogenoksid VI gjør det mulig å forutsi økt termisk stabilitet, tilsvarende urotropin. Oksygenbalansen til nitrogenoksid VI (pluss 63%) gjør det mulig å øke spesifikk tyngdekraften til slike høyenergikomponenter som metaller, metallhydrider, nitraminer og hydrokarbonpolymerer i det faste rakettdrivstoffet.
