Raketové palivo obsahuje palivo a okysličovadlo a na rozdíl od leteckého paliva nepotřebuje externí složku: vzduch nebo vodu. Raketová paliva se podle stavu agregace dělí na kapalná, pevná a hybridní. Kapalná paliva se dělí na kryogenní (s bodem varu složek pod nulou stupňů Celsia) a vysokovroucí (zbytek). Tuhá paliva se skládají z chemické sloučeniny, pevného roztoku nebo plastifikované směsi složek. Hybridní paliva se skládají ze složek v různých souhrnných stavech a jsou v současné době ve fázi výzkumu.
Historicky prvním raketovým palivem byl černý prášek, směs ledku (oxidační činidlo), dřevěného uhlí (palivo) a síry (pojivo), který byl poprvé použit v čínských raketách ve 2. století n. L. Munice s raketovým motorem na tuhá paliva (raketový motor na tuhá paliva) byla používána ve vojenských záležitostech jako zápalný a signalizační prostředek.
Po vynálezu bezdýmného prachu na konci 19. století bylo na jeho základě vyvinuto jednosložkové palivo ballistite, skládající se z pevného roztoku nitrocelulózy (palivo) v nitroglycerinu (oxidační činidlo). Palivo Ballistite má ve srovnání s černým práškem několikanásobek vyšší energie, má vysokou mechanickou pevnost, je dobře tvarované, uchovává si chemickou stabilitu po dlouhou dobu během skladování a má nízkou pořizovací cenu. Tyto vlastnosti předurčily široké využití balistického paliva v nejhmotnější munici vybavené pevnými palivy - raketami a granáty.
Rozvoj takových vědních oborů, jako je dynamika plynu, fyzika spalování a chemie vysokoenergetických sloučenin v první polovině dvacátého století, umožnil rozšířit složení raketových paliv pomocí kapalných složek. První bojová raketa s raketovým motorem na kapalné palivo (LPRE) „V -2“používala kryogenní oxidační činidlo - kapalný kyslík a vysokovroucí palivo - ethylalkohol.
Po druhé světové válce získaly raketové zbraně ve vývoji prioritu před ostatními typy zbraní kvůli jejich schopnosti dopravit jaderné náboje na cíl v jakékoli vzdálenosti - od několika kilometrů (raketové systémy) po mezikontinentální dostřel (balistické střely). Raketové zbraně navíc výrazně vytlačily dělostřelecké zbraně v letectví, protivzdušné obraně, pozemních silách a námořnictvu kvůli nedostatku síly zpětného rázu při odpalování munice raketovými motory.
Současně s balistickým a kapalným raketovým palivem se vícekomponentní směsná pevná paliva vyvíjela jako nejvhodnější pro vojenské použití díky svému širokému teplotnímu rozsahu provozu, eliminaci nebezpečí rozlití součástí, nižším nákladům na raketové motory na tuhá paliva v důsledku absence potrubí, ventily a čerpadla s vyšším tahem na jednotku hmotnosti.
Hlavní charakteristiky raketových paliv
Kromě stavu agregace jeho složek se raketová paliva vyznačují následujícími ukazateli:
- specifický impuls tahu;
- tepelná stabilita;
- chemická stabilita;
- biologická toxicita;
- hustota;
- kouř.
Specifický tahový impuls raketových paliv závisí na tlaku a teplotě ve spalovací komoře motoru a také na molekulárním složení spalovacích produktů. Konkrétní impuls navíc závisí na expanzním poměru trysky motoru, ale to souvisí spíše s vnějším prostředím raketové technologie (vzdušná atmosféra nebo vesmír).
Zvýšený tlak je zajištěn použitím konstrukčních materiálů s vysokou pevností (slitiny oceli pro raketové motory a organoplasty pro tuhá paliva). V tomto aspektu jsou raketové motory na kapalná paliva před pevnými palivy díky kompaktnosti jejich pohonné jednotky ve srovnání s tělem motoru na tuhá paliva, což je jedna velká spalovací komora.
Vysoké teploty produktů spalování je dosaženo přidáním kovového hliníku nebo chemické sloučeniny - hydridu hlinitého do pevného paliva. Tekutá paliva mohou taková aditiva používat, pouze pokud jsou zahuštěna speciálními aditivy. Tepelná ochrana raketových motorů na kapalná paliva je zajištěna chlazením palivem, tepelná ochrana pevných pohonných hmot-pevným připevněním palivového bloku ke stěnám motoru a použitím vyhořelých vložek vyrobených z kompozitu uhlík-uhlík v kritické části trysku.
Molekulární složení produktů spalování / rozkladu paliva ovlivňuje průtok a jejich stav agregace na výstupu z trysky. Čím nižší je hmotnost molekul, tím vyšší je průtok: nejvýhodnějšími produkty spalování jsou molekuly vody, následované dusíkem, oxidem uhličitým, oxidy chloru a dalšími halogeny; nejméně výhodný je oxid hlinitý, který kondenzuje na pevnou látku v trysce motoru, čímž se snižuje objem expandujících plynů. Frakce oxidu hlinitého navíc nutí používat kuželové trysky kvůli abrazivnímu opotřebení nejúčinnějších parabolických trysek Laval.
U vojenských raketových paliv je jejich tepelná stabilita obzvláště důležitá vzhledem k širokému teplotnímu rozsahu provozu raketové technologie. Kryogenní kapalná paliva (kyslík + petrolej a kyslík + vodík) se proto používala pouze v počáteční fázi vývoje mezikontinentálních balistických raket (R-7 a Titan), jakož i pro nosné rakety znovupoužitelných vesmírných vozidel (Space Shuttle a Energia) určené k vypuštění satelitů a vesmírných zbraní na oběžnou dráhu Země.
V současné době armáda používá výhradně vysokovroucí kapalné palivo na bázi oxidu dusičitého (AT, oxidant) a asymetrického dimethylhydrazinu (UDMH, palivo). Tepelná stabilita tohoto palivového páru je dána bodem varu AT (+ 21 ° C), což omezuje použití tohoto paliva raketami za tepelných podmínek v silách ICBM a SLBM. Vzhledem k agresivitě součástek byla technologie jejich výroby a provozu raketových tanků ve vlastnictví jediné země na světě - SSSR / RF (ICBM „Voevoda“a „Sarmat“, SLBM „Sineva“a „ Vložka “). Výjimečně se AT + NDMG používá jako palivo pro řízené střely letadel Kh-22 Tempest, ale kvůli problémům s pozemním provozem se plánuje nahrazení Kh-22 a jejich další generace Kh-32 proudovým pohonem Zirkonové řízené střely využívající jako palivo petrolej.
Tepelná stabilita tuhých paliv je dána hlavně odpovídajícími vlastnostmi rozpouštědla a polymerního pojiva. Ve složení paliv typu zajištění paliva je rozpouštědlem nitroglycerin, který má v pevném roztoku s nitrocelulózou teplotní rozsah provozu od mínus do plus 50 ° C. Ve směsných palivech se jako pojivo polymeru používají různé syntetické kaučuky se stejným rozsahem provozních teplot. Tepelná stabilita hlavních složek tuhých paliv (dinitramid amonný + 97 ° C, hydrid hlinitý + 105 ° C, nitrocelulóza + 160 ° C, chloristan amonný a HMX + 200 ° C) výrazně přesahuje podobnou vlastnost známých pojiv, a proto je relevantní hledat jejich nové skladby.
Chemicky nejstabilnějším palivovým párem je AT + UDMG, protože pro něj byla vyvinuta jedinečná domácí technologie ampulizovaného skladování v hliníkových nádržích za mírného přetlaku dusíku po téměř neomezenou dobu. Všechna pevná paliva se časem chemicky rozkládají v důsledku samovolného rozkladu polymerů a jejich technologických rozpouštědel, po kterém oligomery vstupují do chemických reakcí s jinými, stabilnějšími složkami paliva. Kontrola pevných látek vyžaduje pravidelnou výměnu.
Biologicky toxickou složkou raketových paliv je UDMH, která ovlivňuje centrální nervový systém, sliznice očí a lidský trávicí trakt a vyvolává rakovinu. V tomto ohledu je práce s UDMH prováděna v izolaci protichemických obleků s použitím nezávislého dýchacího přístroje.
Hodnota hustoty paliva přímo ovlivňuje hmotnost palivových nádrží LPRE a těla rakety na tuhá paliva: čím vyšší hustota, tím menší parazitní hmotnost rakety. Nejnižší hustota páru paliva vodík + kyslík je 0,34 g / cu. cm, pár petrolej + kyslík má hustotu 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocelulóza + nitroglycerin - 1,62 g / cu. cm, hydrid hliníku / hliníku + chloristan / dinitramid amonný - 1,7 g / cm3, HMX + chloristan amonný - 1,9 g / cm3. V tomto případě je třeba mít na paměti, že raketový motor na tuhá paliva s axiálním spalováním je hustota palivové náplně přibližně dvakrát menší než hustota paliva v důsledku hvězdicovité části spalovacího kanálu, která se používá udržovat ve spalovací komoře konstantní tlak bez ohledu na stupeň vyhoření paliva. Totéž platí pro balistická paliva, která jsou vytvořena jako sada pásů nebo tyčinek ke zkrácení doby hoření a vzdálenosti zrychlení raket a raket. Na rozdíl od nich se hustota palivové náplně v raketových motorech na tuhá paliva s koncovým spalováním na základě HMX shoduje s maximální hustotou, která je pro ni uvedena.
Poslední z hlavních charakteristik raketových paliv je kouř z produktů spalování, vizuálně demaskující let raket a raket. Tato vlastnost je vlastní pevným palivům obsahujícím hliník, jejichž oxidy kondenzují do pevného stavu během expanze v trysce raketového motoru. Proto se tato paliva používají v tuhých pohonných hmotách balistických raket, jejichž aktivní část trajektorie je mimo zorné pole nepřítele. Letadlové rakety jsou poháněny palivem HMX a chloristanu amonného, raketami, granáty a protitankovými raketami - balistickým palivem.
Energie raketových paliv
Pro srovnání energetických schopností různých typů raketových paliv je nutné pro ně nastavit srovnatelné podmínky spalování v podobě tlaku ve spalovací komoře a expanzního poměru trysky raketového motoru - například 150 atmosfér a 300násobek rozšíření. Pak pro páry / triplety paliva bude konkrétní impuls:
kyslík + vodík - 4,4 km / s;
kyslík + petrolej - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramid amonný + hydrid vodíku + HMX - 3,2 km / s;
chloristan amonný + hliník + HMX - 3,1 km / s;
chloristan amonný + HMX - 2,9 km / s;
nitrocelulóza + nitroglycerin - 2,5 km / s.
Tuhé palivo na bázi dinitramidu amonného je tuzemským vývojem konce 80. let, bylo použito jako palivo pro druhý a třetí stupeň raket RT-23 UTTKh a R-39 a dosud nebylo v energetických charakteristikách překonáno nejlepšími vzorky cizího paliva na bázi chloristanu amonného použitého v raketách Minuteman-3 a Trident-2. Dinitramid amonný je výbušnina, která detonuje i na světelné záření; proto se jeho výroba provádí v místnostech osvětlených červenými lampami s nízkým výkonem. Technologické potíže neumožnily zvládnout proces výroby raketového paliva na jeho základě kdekoli na světě, kromě SSSR. Další věcí je, že sovětská technologie byla rutinně implementována pouze v chemickém závodě v Pavlogradu, který se nachází v oblasti Dnepropetrovska v ukrajinské SSR, a byla ztracena v devadesátých letech poté, co byl závod přeměněn na výrobu chemikálií pro domácnost. Soudě podle taktických a technických charakteristik slibných zbraní typu RS-26 „Rubezh“však byla technologie v Rusku v roce 2010 obnovena.
Příkladem vysoce účinné kompozice je složení tuhého raketového paliva z ruského patentu č. 2241693, které vlastní federální státní jednotný podnik Perm Plant pojmenovaný po CM. Kirov :
oxidační činidlo - dinitramid amonný, 58%;
palivo - hydrid hlinitý, 27%;
změkčovadlo - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
pojivo - polybutadiennitrilový kaučuk, 2, 25%;
tvrdidlo - síra, 1,49%;
stabilizátor spalování - ultrajemný hliník, 0,01%;
přísady - saze, lecitin atd.
Vyhlídky na vývoj raketových paliv
Hlavní směry vývoje kapalných raketových paliv jsou (v pořadí podle priority implementace):
- použití podchlazeného kyslíku za účelem zvýšení hustoty okysličovadla;
- přechod na palivovou páru kyslík + metan, jehož hořlavá složka má o 15% vyšší energii a 6krát lepší tepelnou kapacitu než petrolej, s přihlédnutím ke skutečnosti, že hliníkové nádrže jsou kaleny při teplotě kapalného metanu;
- přidání ozonu ke kyslíkové kompozici na úrovni 24% za účelem zvýšení bodu varu a energie okysličovadla (velká část ozónu je výbušná);
- použití tixotropního (zahuštěného) paliva, jehož složky obsahují suspenze pentaboranu, pentafluoridu, kovů nebo jejich hydridů.
Podchlazený kyslík se již používá v nosné raketě Falcon 9; v Rusku a ve Spojených státech se vyvíjejí raketové motory poháněné kyslíkem + metanem.
Hlavním směrem ve vývoji tuhých raketových paliv je přechod na aktivní pojiva obsahující v jejich molekulách kyslík, což zlepšuje oxidační rovnováhu tuhých pohonných hmot jako celku. Moderním domácím vzorkem takového pojiva je polymerní kompozice „Nika-M“, která zahrnuje cyklické skupiny dinitril-dioxidu a butylenediolpolyetheruretanu, vyvinuté Státním výzkumným ústavem „Kristall“(Dzerzhinsk).
Dalším slibným směrem je rozšíření sortimentu použitých nitraminových trhavin, které mají ve srovnání s HMX vyšší kyslíkovou bilanci (minus 22%). Především se jedná o hexanitrohexaazaisowurtzitan (Cl-20, kyslíková bilance minus 10%) a oktanitrokuban (nulová kyslíková bilance), jejichž vyhlídky závisí na snížení nákladů na jejich výrobu-v současné době je Cl-20 řádově dražší než HMX je oktonitrokuban řádově dražší než Cl -dvacet.
Kromě vylepšení známých typů složek probíhá výzkum také ve směru vytváření polymerních sloučenin, jejichž molekuly sestávají výhradně z atomů dusíku spojených jednoduchými vazbami. V důsledku rozkladu polymerní sloučeniny působením zahřívání tvoří dusík jednoduché molekuly dvou atomů spojených trojnou vazbou. Energie uvolněná v tomto případě je dvojnásobkem energie výbušnin nitraminu. Poprvé získali dusičnaté sloučeniny s diamantovou krystalickou mřížkou ruští a němečtí vědci v roce 2009 při pokusech na společné pilotní rostlině působením tlaku 1 milionu atmosfér a teploty 1725 ° C. V současné době probíhají práce na dosažení metastabilního stavu dusičných polymerů za běžného tlaku a teploty.
Vyšší oxidy dusíku jsou slibnými chemickými sloučeninami obsahujícími kyslík. Známý oxid dusnatý V (plochá molekula, která se skládá ze dvou atomů dusíku a pěti atomů kyslíku) nemá vzhledem ke svému nízkému bodu tání (32 ° C) žádnou praktickou hodnotu jako součást tuhého paliva. Vyšetřování v tomto směru se provádí hledáním způsobu syntézy oxidu dusnatého VI (tetra-dusičnan hexaoxid), jehož základní molekula má tvar čtyřstěnu, na jehož vrcholech jsou navázány čtyři atomy dusíku šest atomů kyslíku umístěných na okrajích čtyřstěnu. Úplné uzavření interatomických vazeb v molekule oxidu dusnatého VI umožňuje předpovědět zvýšenou tepelnou stabilitu podobnou urotropinu. Kyslíková bilance oxidu dusnatého VI (plus 63%) umožňuje výrazně zvýšit měrnou hmotnost takových vysoce energetických složek, jako jsou kovy, hydridy kovů, nitraminy a uhlovodíkové polymery v tuhém raketovém palivu.
