Raketbrændstof indeholder brændstof og oxidator og har i modsætning til flybrændstof ikke brug for en ekstern komponent: luft eller vand. Rocketbrændstoffer er i henhold til deres aggregattilstand opdelt i flydende, fast og hybrid. Flydende brændstoffer er opdelt i kryogen (med kogepunktet for komponenterne under nul grader Celsius) og højkogende (resten). Faste brændstoffer består af en kemisk forbindelse, en fast opløsning eller en blødgjort blanding af komponenter. Hybride brændstoffer består af komponenter i forskellige aggregattilstande og er i øjeblikket på forskningsstadiet.
Historisk set var det første raketbrændstof sort pulver, en blanding af saltpeter (oxidator), trækul (brændstof) og svovl (bindemiddel), som først blev brugt i kinesiske raketter i det 2. århundrede e. Kr. Ammunition med en solid drivmotor raketmotor (solid drivmotor) blev brugt i militære anliggender som et brand- og signalmiddel.
Efter opfindelsen af røgfrit pulver i slutningen af 1800-tallet blev der udviklet et enkelt-komponent ballistitbrændstof på dets basis, bestående af en fast opløsning af nitrocellulose (brændstof) i nitroglycerin (et oxidationsmiddel). Ballistitbrændstof har en multipel højere energi sammenlignet med sort pulver, har høj mekanisk styrke, er velformet, bevarer kemisk stabilitet i lang tid under opbevaring og har en lav kostpris. Disse kvaliteter forudbestemte den udbredte anvendelse af ballistisk brændstof i den mest massive ammunition udstyret med faste drivmidler - raketter og granater.
Udviklingen i første halvdel af det tyvende århundrede af sådanne videnskabelige discipliner som gasdynamik, forbrændingsfysik og kemi af højenergiforbindelser gjorde det muligt at udvide sammensætningen af raketbrændstoffer ved brug af flydende komponenter. Det første kampmissil med en flydende drivmotor (LPRE) "V -2" brugte en kryogen oxidator - flydende ilt og et højtkogende brændstof - ethylalkohol.
Efter Anden Verdenskrig modtog raketvåben en prioritet i udviklingen frem for andre typer våben på grund af deres evne til at levere atomladninger til et mål i enhver afstand - fra flere kilometer (raketsystemer) til interkontinentalt område (ballistiske missiler). Derudover har raketvåben betydeligt fortrængt artillerivåben inden for luftfart, luftforsvar, landstyrker og flåden på grund af mangel på rekylstyrke ved affyring af ammunition med raketmotorer.
Samtidig med ballistisk og flydende raketbrændstof udviklede multikomponentblandede faste drivmidler sig som de mest egnede til militær brug på grund af deres brede temperaturinterval, eliminerer faren for komponentspild, lavere omkostninger ved fastdrevne raketmotorer på grund af fraværet af rørledninger, ventiler og pumper med højere trykstyrke pr. vægtenhed.
De vigtigste kendetegn ved raketbrændstoffer
Ud over tilstanden af sammenlægning af dets komponenter er raketbrændstoffer kendetegnet ved følgende indikatorer:
- specifik fremdriftsimpuls
- termisk stabilitet
- kemisk stabilitet
- biologisk toksicitet
- massefylde;
- rygning.
Rocketbrændstoffers specifikke trykimpuls afhænger af trykket og temperaturen i motorens forbrændingskammer samt forbrændingsprodukternes molekylære sammensætning. Derudover afhænger den specifikke impuls af motorens dyses ekspansionsforhold, men dette er mere relateret til raketteknologiens ydre miljø (luftatmosfære eller ydre rum).
Øget tryk tilvejebringes ved brug af konstruktionsmaterialer med høj styrke (stållegeringer til raketmotorer og organoplast til faste drivmidler). I dette aspekt er væskedrivende raketmotorer foran faste drivmidler på grund af deres fremdriftsenheds kompakthed i sammenligning med karosseriet i en fastbrændstofmotor, som er et stort forbrændingskammer.
Forbrændingsprodukternes høje temperatur opnås ved at tilføje metalaluminium eller en kemisk forbindelse - aluminiumhydrid til det faste brændstof. Flydende brændstoffer kan kun bruge sådanne tilsætningsstoffer, hvis de er fortykket med specielle tilsætningsstoffer. Termisk beskyttelse af raketmotorer med flydende drivkraft ydes ved afkøling med brændstof, termisk beskyttelse af faste drivmidler-ved at fastgøre brændstofblokken til motorens vægge og bruge udbrændingsindsatser af carbon-carbon-komposit i den kritiske sektion af dysen.
Molekylær sammensætning af forbrændings- / nedbrydningsprodukterne i brændstoffet påvirker strømningshastigheden og deres aggregattilstand ved dyseudgangen. Jo lavere molekylernes vægt, jo højere strømningshastighed: De mest foretrukne forbrændingsprodukter er vandmolekyler, efterfulgt af nitrogen, carbondioxid, chloroxider og andre halogener; mindst foretrukket er aluminiumoxid, som kondenserer til et fast stof i motorens dyse og derved reducerer mængden af ekspanderende gasser. Derudover tvinger aluminiumoxidfraktionen brugen af koniske dyser på grund af slid på de mest effektive parabolske Laval -dyser.
For militære raketbrændstoffer er deres termiske stabilitet særlig vigtig på grund af det brede temperaturområde for raketteknologisk drift. Derfor blev kryogene flydende brændstoffer (ilt + petroleum og ilt + hydrogen) kun brugt i den indledende fase af udviklingen af interkontinentale ballistiske missiler (R-7 og Titan) samt til affyringsbiler til genanvendelige rumfartøjer (rumfærge og Energia) beregnet til affyring af satellitter og rumvåben i lav jordbane.
I øjeblikket bruger militæret udelukkende højtkogende flydende brændstof baseret på nitrogentetroxid (AT, oxidator) og asymmetrisk dimethylhydrazin (UDMH, brændstof). Den termiske stabilitet af dette brændstofpar bestemmes af kogepunktet for AT (+ 21 ° C), hvilket begrænser brugen af dette brændstof af missiler under termostaterede forhold i ICBM- og SLBM -missilsiloer. På grund af komponenternes aggressivitet var / ejes teknologien til deres produktion og drift af missiltanke kun i ét land i verden - USSR / RF (ICBM'er "Voevoda" og "Sarmat", SLBM "Sineva" og " Liner "). Som en undtagelse bruges AT + NDMG som brændstof til krydstogtraketter Kh-22 Tempest-fly, men på grund af problemer med jorddrift er Kh-22 og deres næste generation Kh-32 planlagt udskiftet med jetdrevne Zircon krydstogtsraketter, der bruger petroleum som brændstof.
Den termiske stabilitet af faste brændstoffer bestemmes hovedsageligt af de tilsvarende egenskaber ved opløsningsmidlet og polymerbindemidlet. I sammensætningen af ballistitbrændstoffer er opløsningsmidlet nitroglycerin, som i en fast opløsning med nitrocellulose har et temperaturinterval fra minus til plus 50 ° C. I blandede brændstoffer bruges forskellige syntetiske gummier med samme driftstemperaturområde som et polymerbindemiddel. Den termiske stabilitet af hovedkomponenterne i faste brændstoffer (ammoniumdinitramid + 97 ° C, aluminiumhydrid + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, ammoniumperchlorat og HMX + 200 ° C) overstiger imidlertid betydeligt den lignende egenskab af kendte bindemidler, og derfor er det relevant søgning efter deres nye kompositioner.
Det mest kemisk stabile brændstofpar er AT + UDMG, da der er udviklet en unik indenlandsk teknologi til ampuliseret opbevaring i aluminiumstanke under et let overskydende nitrogentryk i næsten ubegrænset tid til det. Alle faste brændstoffer nedbrydes kemisk over tid på grund af den spontane nedbrydning af polymerer og deres teknologiske opløsningsmidler, hvorefter oligomerer indgår i kemiske reaktioner med andre, mere stabile brændstofkomponenter. Derfor har faste drivgassbrikker brug for regelmæssig udskiftning.
Den biologisk giftige komponent i raketbrændstoffer er UDMH, som påvirker centralnervesystemet, slimhinder i øjnene og det menneskelige fordøjelseskanal og fremkalder kræft. I denne forbindelse udføres arbejde med UDMH i isolering af kemiske beskyttelsesdragter med brug af selvstændigt åndedrætsværn.
Værdien af brændstoftætheden påvirker direkte massen af LPRE -brændstoftanke og det faste drivraketlegeme: jo højere densitet, desto mindre er rakettens parasitmasse. Den laveste massefylde af brint + oxygen brændstofparret er 0,34 g / cu. cm, har et par petroleum + oxygen en tæthed på 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycerin - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminiumhydrid + perchlorat / ammoniumdinitramid - 1,7 g / cc, HMX + ammoniumperchlorat - 1,9 g / cc. I dette tilfælde skal det tages i betragtning, at den faste drivraketmotor ved aksial forbrænding, tætheden af brændstofladningen er cirka to gange mindre end brændstofets densitet på grund af den stjerneformede sektion af forbrændingskanalen, der bruges at opretholde et konstant tryk i forbrændingskammeret, uanset graden af brændstofforbrænding. Det samme gælder for ballistiske brændstoffer, der er dannet som et sæt seler eller stænger for at forkorte brændetid og accelerationsafstand for raketter og raketter. I modsætning til dem falder tætheden af brændstofladningen i faste drivraketmotorer ved slutforbrænding baseret på HMX sammen med den maksimale densitet, der er angivet for den.
Den sidste af de vigtigste egenskaber ved raketbrændstoffer er røg fra forbrændingsprodukter, der visuelt afdækker raketter og raketter. Denne funktion er iboende i faste brændstoffer indeholdende aluminium, hvis oxider kondenseres til en fast tilstand under ekspansion i raketmotorens dyse. Derfor bruges disse brændstoffer i faste drivmidler til ballistiske missiler, hvis aktive sektion af banen er uden for fjendens sigtelinje. Fly missiler er brændstof med HMX og ammoniumperchlorat brændstof, raketter, granater og anti -tank missiler - med ballistisk brændstof.
Energi fra raketbrændstoffer
For at sammenligne energikapaciteterne for forskellige typer raketbrændstof er det nødvendigt at indstille sammenlignelige forbrændingsbetingelser for dem i form af tryk i forbrændingskammeret og ekspansionsforholdet for raketmotorens dyse - for eksempel 150 atmosfærer og 300 gange udvidelse. Så for brændstofpar / trillinger vil den specifikke impuls være:
ilt + hydrogen - 4,4 km / s;
ilt + petroleum - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammoniumdinitramid + hydrogenhydrid + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperchlorat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperchlorat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycerin - 2,5 km / s.
Fast brændstof baseret på ammoniumdinitramid er en indenlandsk udvikling i slutningen af 1980'erne, det blev brugt som brændstof til anden og tredje fase af RT-23 UTTKh og R-39 missiler og er endnu ikke blevet overgået i energikarakteristika af de bedste prøver af fremmed brændstof baseret på ammoniumperchlorat. brugt i Minuteman-3 og Trident-2 missiler. Ammoniumdinitramid er et eksplosiv, der detonerer selv fra lysstråling; derfor udføres dets produktion i lokaler oplyst af laveffektrøde lamper. Teknologiske vanskeligheder tillod ikke at mestre processen med at fremstille raketbrændstof på dens basis overalt i verden, undtagen i Sovjetunionen. En anden ting er, at den sovjetiske teknologi rutinemæssigt kun blev implementeret på det kemiske fabrik Pavlograd, der ligger i Dnepropetrovsk -regionen i den ukrainske SSR, og gik tabt i 1990'erne, efter at anlægget blev konverteret til at producere husholdningskemikalier. At dømme efter de taktiske og tekniske egenskaber ved lovende våben af typen RS-26 "Rubezh" blev teknologien imidlertid restaureret i Rusland i 2010'erne.
Et eksempel på en meget effektiv sammensætning er sammensætningen af fast raketbrændstof fra russisk patent nr. 2241693, ejet af Federal State Unitary Enterprise Perm Plant opkaldt efter CM. Kirov :
oxidationsmiddel - ammonium dinitramid, 58%;
brændstof - aluminiumhydrid, 27%;
blødgører - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
bindemiddel - polybutadiennitrilgummi, 2, 25%;
hærder - svovl, 1,49%;
forbrændingsstabilisator - ultrafint aluminium, 0,01%;
tilsætningsstoffer - carbon black, lecithin osv.
Udsigter til udvikling af raketbrændstoffer
De vigtigste retningslinjer for udviklingen af flydende raketbrændstoffer er (i prioriteret rækkefølge ved implementering):
- anvendelse af underkølet ilt for at øge densiteten af oxidationsmidlet
- overgang til en brændstofdamp ilt + methan, hvis brændbare komponent har 15% højere energi og 6 gange bedre varmekapacitet end petroleum under hensyntagen til, at aluminiumstanke er hærdet ved temperaturen af flydende metan;
- tilsætning af ozon til iltkompositionen ved et niveau på 24% for at øge oxidationsmiddelets kogepunkt og energi (en stor del af ozonen er eksplosiv)
- anvendelse af thixotropisk (fortykket) brændstof, hvis komponenter indeholder suspensioner af pentaboran, pentafluorid, metaller eller hydrider deraf.
Superkølet ilt bruges allerede i Falcon 9-affyringsvognen; ilt + metan-drevne raketmotorer udvikles i Rusland og USA.
Hovedretningen i udviklingen af faste raketbrændstoffer er overgangen til aktive bindemidler, der indeholder oxygen i deres molekyler, hvilket forbedrer oxidationsbalancen for faste drivmidler som helhed. En moderne hjemmeprøve af et sådant bindemiddel er polymersammensætningen "Nika-M", der omfatter cykliske grupper af dinitrildioxid og butylendiolpolyetherurethan, udviklet af State Research Institute "Kristall" (Dzerzhinsk).
En anden lovende retning er udvidelsen af sortimentet af brugte nitraminsprængstoffer, som har en højere iltbalance i forhold til HMX (minus 22%). Først og fremmest er det hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, iltbalance minus 10%) og octanitrocuban (nul iltbalance), hvis udsigter afhænger af at reducere omkostningerne ved deres produktion-i øjeblikket er Cl-20 en størrelsesorden dyrere end HMX er octonitrocuban en størrelsesorden dyrere end Cl -twenty.
Udover at forbedre de kendte komponenter, forskes der også i retning af at skabe polymerforbindelser, hvis molekyler udelukkende består af nitrogenatomer forbundet med enkeltbindinger. Som et resultat af nedbrydning af en polymerforbindelse under opvarmning, danner nitrogen simple molekyler af to atomer forbundet med en tripelbinding. Den energi, der frigives i dette tilfælde, er to gange energien fra nitraminsprængstof. For første gang blev nitrogenforbindelser med et diamantlignende krystalgitter opnået af russiske og tyske forskere i 2009 under forsøg på et fælles pilotanlæg under påvirkning af et tryk på 1 million atmosfærer og en temperatur på 1725 ° C. I øjeblikket arbejdes der på at opnå metastabil tilstand af nitrogenpolymerer ved almindeligt tryk og temperatur.
Højere nitrogenoxider er lovende iltholdige kemiske forbindelser. Det velkendte nitrogenoxid V (et fladt molekyle, der består af to nitrogenatomer og fem oxygenatomer) har ingen praktisk værdi som komponent i fast brændsel på grund af dets lave smeltepunkt (32 ° C). Undersøgelser i denne retning udføres ved at søge efter en metode til syntese af nitrogenoxid VI (tetra-nitrogen hexaoxid), hvis rammemolekyle har form af et tetraeder, ved de hjørner, hvoraf der er fire nitrogenatomer bundet til seks iltatomer placeret på kanterne af tetraederet. Den fuldstændige lukning af interatomiske bindinger i molekylet af nitrogenoxid VI gør det muligt at forudsige en øget termisk stabilitet svarende til urotropins. Oxygenbalancen mellem nitrogenoxid VI (plus 63%) gør det muligt at øge specifikke tyngdekraften for sådanne højenergikomponenter som metaller, metalhydrider, nitraminer og carbonhydrider i det faste raketbrændstof.
