Оружейная коллекция
Популярное
Русский Галан (Galand Revolver Russian contract and Galand Revolver N.I. Goltiakoff in Toula) револьвер из БельгииПисать о русском оружии не очень благодарное дело. С одной стороны минимум исторических документов и большие проблемы с иллюстрациями. С другой стороны обычно существует несколько различных источников, которые порой...
Ровесница германского маузера – российская винтовка образца 1891 года (часть 5) Деньги, люди и наградыНу, а теперь настало время обратиться к таким важным составляющим любого дела, как деньги и люди. Причем деньги иногда важнее. Нет их, и… людей нет. Потому что на голом энтузиазме ничего хорошего не возникает. Людям...
Ровесница германского маузера – российская винтовка образца 1891 года (часть 4) Мнения и впечатленияИтак, мы рассмотрели историю винтовки для российской императорской армии, сконструированной и принятой на вооружение в 1891 году. Очевидно, что разрабатывал ее… целый трудовой коллектив, очень важную роль в котором...
Шашка: одним ударом и наповалШашка из всего длинного клинкового оружия дольше всех задержалась на военной службе. И сегодня она используется в армии в качестве парадного оружия. В чем секрет ее популярности?...
Ровесница германского маузера – российская винтовка образца 1891 года (часть 3). Документы продолжают рассказывать…Затвор С.И. Мосина действительно очень сильно отличался от затвора Л. Нагана прежде всего тем, что его можно было разбирать без отвертки. Затвор Нагана состоял из меньшего количества деталей, был проще, но для его...
Оружие
Сверхтяжёлый трофей - исторический фактНемецкий сверхтяжёлый танк Pz.Kpfw. Maus оставил заметный след в истории танкостроения. Это был самый тяжёлый в мире танк, разработанный в качестве штурмовой машины, практически неуязвимой для вражеского огня. Во многом...
Залпы по "Армате": за что западные СМИ так "любят" новейший российский танкЗарубежные издания в последнее время все чаще пишут про российское вооружение и новейшую технику, сравнивая некоторые перспективные образцы со своими. Этот "интерес" продиктован в том числе и тем, что отечественное...
Подвижный разведывательный пункт ПРП-4А «Аргус» помощник для артиллерии Артиллерия не может полноценно решать поставленные боевые задачи без точных данных о местонахождении цели и корректировки огня. Разведка целей и определение результатов стрельб может осуществляться разными методами и...
Сирийская артиллерия представленная на базе российского «Садко»Вот уже несколько лет сирийская армия с переменным успехом борется с различными вооруженными формированиями, террористическими организациями и иными врагами. Подорванная экономика страны и специфика боевых действий...
Проект модернизации основного танка Leopard 2A7V производства ГерманииНесколько лет назад сухопутные войска Германии получили первые серийные основные боевые танки Leopard 2A7. От техники предыдущих модификаций эти машины отличались рядом новых систем, позволивших получить определенные...
Подпишись на рассылку и будь всегда в курсе наших новостей.

Очень коротко о ракетных топливах

Очень коротко о ракетных топливах

«... И нет ничего нового под солнцем»

(Экклизиаст 1:9).

О топливах, ракетах, ракетных двигателях писалось, пишут и будут писать.

Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П. Глушко "Жидкое топливо для реактивных двигателей", изданную в 1936 г.

Очень коротко о ракетных топливах

Для меня тема показалась интересной, связанной с моей бывшей специальностью и учёбой в ВУЗе, тем паче "приволок" её мой младший отпрыск: "Шеф давай замесим, что нить такое и запустим, а если лень, то мы сами "сообразим". Видимо, лавры экстремалов из "Лин Индастриал" не дают покоя.

Так хочется правильно взорвать свой ракетный двигатель.

"Соображать" будем вместе, под строгим родительским контролем. Руки ноги должны быть целыми, чужие тем более.
"Ключ на старт"... "Поехали"! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)

Очень коротко о ракетных топливах

Какой бы тип РД (схема, характер процесса) не применялся в ракетной технике, его целевое предназначение: создание тяги (силы), путём преобразования исходной энергии, запасённой в РТ в кинетическую энергию (Ек) реактивной струи рабочего тела.

Ек реактивной струи в РД преобразуются разные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая).

Для химических двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное.

Часть №1 - топлива для ЖРД или жидкие ракетные топлива

Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):

Очень коротко о ракетных топливах

Термины и сокращения .

Удельный импульс (Iуд) .

Реактивная тяга (Р или Fр) .

Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)( подробнее-кликнуть )-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.

Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае) .

Виды топлив (в общем случае).

Химическим источником тепловой энергии для РД в общем случае можно считать химическую реакцию компонентов РТ.

Начну вещать с Km0. Это очень важное соотношение для РД: топливо может гореть по-разному в РД (химическая реакция в РД-это не обычное горение дров в камине , где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение (точнее окисление) топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.

Как засыпаться на защите курсового проекта, экзамена или сдаче зачёта . / Дмитрий Завистовский

Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ .

Важный параметр - коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой "α" с индексом "ок.") и массовое соотношение компонентов Kм.

Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.

Очень коротко о ракетных топливах

Как правило, αок.<=1. И вот почему. Зависимости Tk(αок.) и Iуд.(αок.) нелинейны и для многих топлив последняя имеет максимум при αок. не при стехиометрическом соотношении компонентов, т.е макс. значения Iуд. получаются при некотором снижении количества окислителя по отношению к стехиометрическому. Ещё немного терпения, т.к. не могу обойти понятие: энтальпии . Это пригодится и в статье, и в повседневной жизни.

Кратко энтальпия – это энергия. Для статьи важны две её "ипостаси":

Термодинамическая энтальпия- количество энергии, затраченной на образование вещества из исходных химических элементов. Для веществ, состоящих из одинаковых молекул (H2, O2 и пр.), она равна нулю.

Энтальпия сгорания- имеет смысл только при условии протекания химической реакции. В справочниках можно найти экспериментально полученные при нормальных условиях значения этой величины. Чаще всего для горючих это полное окисление в среде кислорода, для окислителей – окисление водорода заданным окислителем. Причем значения могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от вида реакции.

"Сумму термодинамической энтальпии и энтальпии сгорания называют полной энтальпией вещества. Собственно, этой величиной и оперируют при тепловом расчёте камер ЖРД."

Требования к ЖРТ:

-как к источнику энергии;

-как к веществу, которое приходится (на данном уровне развития технологий) использовать для охлаждения РД и ТНА, иногда к наддуву баков с РТ, предоставлять ему объём (баки РН) и т.д.;

-как к веществу вне ЖРД, т.е. при хранении, транспортировке, заправке, испытаниях, экологической безопасности и т.д.
Такая градация относительна условна, но в принципе отражает суть. Назову эти требования так: №1, №2, №3. Кто-то может дополнить список в комментариях.

Эти требования классический пример "Лебедь рак и щука" , которые "тянут" создателей РД в разные стороны:

# С точки зрения источника энергии ЖРД (№1)

Очень коротко о ракетных топливах

Т.е. необходимо получить макс. Iуд. Не буду дальше забивать головы всем, в общем случае:

Очень коротко о ракетных топливах

При прочих важных параметрах для №1 нас интересует R и Т (со всеми индексами).

Нужно, чтобы: молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание.

# С точки зрения конструктора РН (№2):

ТК должны иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях ракет, т.к. они самые объёмные и имеют мощнейшие РД, с большим секундным расходом. Очевидно, что это не согласуется с требованием под №1.

Очень коротко о ракетных топливах

При прочих важных параметрах для №1 нас интересует R и Т (со всеми индексами).

Нужно, чтобы: молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание.

# С точки зрения конструктора РН (№2):

ТК должны иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях ракет, т.к. они самые объёмные и имеют мощнейшие РД, с большим секундным расходом. Очевидно, что это не согласуется с требованием под №1.

Очень коротко о ракетных топливах


Очень коротко о ракетных топливах

Надеюсь, ещё никто не уснул? У меня ощущение, что разговариваю сам с собой. Скоро будет про спирт, не отключайтесь!

Конечно, это лишь вершина айсберга. Ещё влезают сюда дополнительные требования, из-за которых следует искать КОНСЕНСУСЫ и КОМПРОМИСЫ. Один из компонентов обязательно должен иметь удовлетворительные (лучше отличные) свойства охладителя, т.к. на данном уровне технологий приходится охлаждать КС и сопло, а также защитить критическое сечение РД:

Очень коротко о ракетных топливах

На фотографии сопло ЖРД XLR-99: отчётливо видна характерная особенность конструкции американских ЖРД 50-60 годов – трубчатая камера:

Очень коротко о ракетных топливах

Также требуется (как правило) один из компонентов использовать как рабочее тело для турбины ТНА:

Очень коротко о ракетных топливах

Для топливных компонентов "большое значение имеет давление насыщенных паров (это грубо говоря давление, при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков."/ С.С. Факас/

Очень коротко о ракетных топливах

Важный фактор-агрессивность ТК к материалам (КМ) ЖРД и баков для их хранения.

Если ТК очень "вредные" (как некоторые люди), тогда инженерам приходится тратиться на ряд специальных мер по защите своих конструкций от топлива.

Очень коротко о ракетных топливах

- самовоспламеняемость компонентов топлива как двуликий Янус : иногда необходима, а бывает, что и вредит. Есть еще противное свойство: взрывоопасность

Для многих отраслей использования ракет (военное применение или дальний космос)

требуется, чтобы топливо было химически стабильным, а его хранение, заправка (в общем всё, что называется: логистика) и утилизация не вызывали "головную боль" у эксплуатантов и окружающей среды.

Очень коротко о ракетных топливах

Важный параметр - токсичность продуктов сгорания. Сейчас он очень актуален.

Очень коротко о ракетных топливах

Себестоимость производства как самих ТК, так и баков и КМ, удовлетворяющих свойствам (порой агрессивным) этих компонентов: нагрузка на экономику страны, претендующей на роль "космического извозчика".

Очень коротко о ракетных топливах


Очень коротко о ракетных топливах

Этих требований много и как правило они антогоничны друг другу.

Вывод: топливо или его компоненты должны иметь (или обладать):

1. Наибольшую теплопроизводительность, для получения максимального Iуд.
2. Наибольшей плотностью, минимальной токсичностью, стабильностью и дешевизной (в производстве, логистике и утилизации).
3. Наибольшее значение газовой постоянной или наименьшую молекулярную массу продуктов сгорания, что даст Vмакс истечения и великолепный удельный импульс тяги.
4. Умеренную температуру сгорания (не более 4500К), иначе всё сгорит или прогорит. Не быть взрывоопасными. Самовоспламеняться при определённых условиях.
5. Максимальную скорость сгорания. Это обеспечит минимальный вес и объём КС.
6. Минимальный период задержки воспламенения, т.к. плавный и надёжный запуск РД играет значительную роль.

Очень коротко о ракетных топливах

Целый ворох проблем и требований: вязкость, Т плавления и застывания, Т кипения, испаряемость, упругость пара и скрытая теплота парообразования и т.д. и т.п.

Компромиссы ярко проявляют себя по Iуд.: ТК большой плотности (керосин+LOX), как правило, применяются на нижних ступенях РН, хотя они и проигрывают тому же LН2 и LOX, которые в свою очередь используются на верхних ступенях РН ("Энергия" 11К25).

Очень коротко о ракетных топливах

И опять же прекрасная пара LН2+LOX не может быть использована для дальнего космоса или для долговременного пребывания на орбите («Вояджер-2», разгонный блок "Бриз-М", МКС и т.д.)

Очень коротко о ракетных топливах

Потрясающий момент отстыковки метеорологического спутника GOES-R от разгонного блока Centaur ракеты-носителя Atlas V 541 ( GOES-R Spacecraft Separation )

Классификация ЖРТ - чаще всего по давлению насыщенных паров или температуре тройной точки , а проще говоря - температуре кипения при нормальном давлении.

Высококипящие компоненты ЖРТ.

Chemical substance имеющие максимальную эксплуатационную температуру, при которой давление насыщенных паров (буду именовать далее Рнп) в баках ракеты существенно ниже допустимого уровня давления в баках по их конструкционной прочности.

Пример:

керосин, НДМГ, азотная кислота.

Соответственно они хранятся без особых манипуляций с охлаждением баков.

Очень коротко о ракетных топливах

Мне лично больше нравится термин -"тара". Хотя это и не совсем корректно, но зато приближено к бытовому значению. Это, т.н. долгохранящиеся ТК.

Низкокипящие компоненты ЖРТ.

Здесь уже Рнп близко к максимально допустимому давлению в баках (по критерию их прочности). Хранение в герметичных баках без специальных мероприятий мер по охлаждению (и/или захолаживанию) и возврату конденсата нельзя. Такие же требования (и проблемы) с арматурой ЖРД и трубопроводами заправки/слива.

Пример:

аммиак, пропан, тетраоксид азота.

Очень коротко о ракетных топливах

Министерство Обороны РФ (МО РФ) считает низкокипящими компонентами все, температура кипения которых ниже 298К при стандартных условиях.

В интервале температур эксплуатации ракетной техники низкокипящие компоненты обычно находятся в газообразном состоянии. Для содержания низкокипящих компонентов в жидком состоянии используется специальное технологическое оборудование.

Криогенные компоненты ЖРТ.

Собственно говоря, это подкласс низкокипящих компонентов. Т.е. вещества, имеющие температуру кипения ниже 120К. К криогенным компонентам относятся сжиженные газы: кислород, водород, фтор и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

Очень коротко о ракетных топливах

Требуются специальные меры при транспортировке, заправке (захолаживание баков и магистралей, теплоизоляция арматуры ЖРД и т.д.) и сливе.

Очень коротко о ракетных топливах

Температура их критической точки значительно ниже эксплуатационной. Хранение в герметичных баках РН невозможно или сильно затруднено. Типичные представители кислород и водород в жидком фазовом состоянии.

Далее буду использовать американскую манеру их обозначения LOX и LН2 соответственно.Или так ЖК и ЖВ.
Наш "красавчик" РД-0120 (водород-кислород):

Очень коротко о ракетных топливах

Видно, что он снаружи (арматура, магистрали) полностью залит теплоизоляционным материалом.

По мнению некоторых экспертов, технология производства РД-0120 к настоящему времени в РФ полностью утрачена. Однако на основе его технологий на том же предприятии создается кислородно-водородный двигатель РД-0146.

Когда компоненты РТ встречаются в КС ЖРД (по "умному" вступают в реакцию), их следует разделять на:

самовоспламеняющиеся (СТК), ограниченно-самовоспламеняющиеся (ОСТК) и несамовоспламеняющиеся ТК (НТК).

СТК: при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии воспламеняются (во всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур).

Это значительно упрощает систему поджига РД, однако если компоненты встретятся вне камеры сгорания (протечки, аварии) - то будет пожар, или большой "бабах". Тушение затруднено.

Очень коротко о ракетных топливах

Пример:N204 (азотный тетраксид) + ММГ (монометилгидразин), N204 + N2Н4 (гидразин), N2О4+ НДМГ и все топлива на основе фтора.

ОСТК: здесь для воспламенения необходимо принимать специальные меры. Несамовоспламеняющиеся топлива требуют систему поджига.

Очень коротко о ракетных топливах

Пример:керосин+LOX или LH2+LOX.

НТК: здесь комментарии думаю излишни. Требуется либо катализатор, либо постоянный поджиг (или температура и/или давление и т.д.), либо третий компонент.

Очень коротко о ракетных топливах

Идеальны для транспортировки, хранения и "протечкоустойчивы".

Еще вариант разделения-по уровню энергетических характеристик ЖРТ:

*низкоэнергетические (с относительно низким удельным импульсом - однокомпонентные и др.);

*среднеэнергетические (со средним удельным импульсом—(02ж)+керосин , N204 + ММГ и др.);

*высокоэнергетические (с высоким удельным импульсом: (02)ж+ (Н2)Ж, (F2) ж+(Н2)ж и др.).

По токсичности и коррозионной активности компонентов различают ЖРТ:

*на нетоксичных и некоррозионно-активных компонентах топлива - (02)ж, углеводородные горючие и др.;

*на токсичных и коррозионно-активных компонентах топлива - ММГ, НДМГ и особенно (F2)ж.

По числу используемых компонентов топлива различают одно-, двух- и трехкомпонентные ДУ.

В однокомпонентных ДУ, в которых наиболее часто используют вытеснительную подачу.

Очень коротко о ракетных топливах

В качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки вспомогательных однокомпонентных ДУ для ИСЗ, КА и КК использовалась высококонцентрированная (80 ... 95 %) перекись водорода.

В настоящее время такие вспомогательные двигательные установки применяют лишь в системах ориентации ступеней некоторых японских РН.

Очень коротко о ракетных топливах

У остальных вспомогательных однокомпонентных ДУ перекись водорода "вытеснена" гидразином, при этом обеспечено увеличение удельного импульса примерно на 30%.

Широкому применению гидразина в ЖРД в значительной степени способствовало создание высоконадежных катализаторов с большим ресурсом, в частности катализатора "Шелл-405".

Наиболее широко человечество использует двухкомпонентные ТК, обладающие более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с однокомпонентными. Но двухкомпонентные ЖРД сложнее по конструкции, чем однокомпонентные. Из-за наличия баков окислителя и горючего, более сложной системы трубопроводов и необходимости обеспечения требуемого соотношения компонентов топлива (коэффициента Кmо). В ДУ ИСЗ, КК и КА часто применяют не один, а несколько баков окислителя и горючего, что дополнительно усложняет систему трубопроводов двухкомпонентной ДУ.

Очень коротко о ракетных топливах

Трёх компонентные РТ в разработке. Это настоящая экзотика.

Патент РФ на трёх-компонентный ЖРД .

Схема этого ЖРД .

Такие ЖРД можно классифицировать как многотопливные.

ЖРД на трехкомпонентном топливе (фтор+водород+литий) разрабатывался в ОКБ-456 .

Двухкомпонентные топлива состоят из окислителя и горючего.

ЖРД Bristol Siddeley BSSt.1 Stentor: двухкомпонентный ЖРД (H2O2+керосин)

Очень коротко о ракетных топливах

Окислители

Кислород

Химическая формула-О2 (дикислород, американское обозначение Oxygen-OX).

В ЖРД применяется жидкий, а не газообразный кислород-Liquid oxygen (LOX-кратко и всё понятно).

Молекулярная масса (для молекулы)-32г/моль. Для любителей точности: атомная масса (молярная масса)=15,99903;

Плотность=1,141 г/см³

Температура кипения=90,188K (−182,96°C)

Очень коротко о ракетных топливах

С точки зрения химии, идеальный окислитель. Он использовался в первых баллистических ракетах ФАУ, ее американских и советских копиях. Но его температура кипения не устраивала военных. Требуемый диапазон рабочих температур от –55°C до +55°C (большое время подготовки к старту, малое время нахождения на боевом дежурстве).

Очень коротко о ракетных топливах

Очень низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость небольшая: менее $0,1 (по-моему, дешевле литра молока в разы).

Недостатки:

Очень коротко о ракетных топливах

Криогенный - необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом. Еще и может нагадить другим ТК (керосину):

Очень коротко о ракетных топливах

На фото: створки защитных устройств заправочного автостыка керосина (ЗУ-2), за 2 минуты до окончания циклограммы при выполнении операции ЗАКРЫТЬ ЗУ из-за обледенения не полностью закрылись. Одновременно из-за обледенения не прошел сигнал о съезде ТУА с пусковой установки. Пуск проведен на следующий день.

Очень коротко о ракетных топливах

Агрегат-заправщик РБ жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте.

Затруднено использование в качестве охладителя КС и сопла ЖРД.

Очень коротко о ракетных топливах

См.

"АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КИСЛОРОДА В КАЧЕСТВЕ ОХЛАДИТЕЛЯ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ" САМОШКИН В.М., ВАСЯНИНА П.Ю., Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

Сейчас всеми изучается возможность использования переохлажденного кислорода либо кислорода в шугообразном состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз этого компонента. Вид будет примерно такой же, как эта красивая ледяная шуга в бухточке правее Шаморы:

Очень коротко о ракетных топливах

Пофантазируйте: вместо Н2О представьте ЖК (LOX).

Шугирование позволит увеличить общую плотность окислителя.

Пример захолаживания (переохлаждения) БР Р-9А: в качестве окислителя в ракете впервые было решено использовать переохлажденный жидкий кислород, что позволило уменьшить общее время подготовки ракеты к пуску и повысить степень ее боеготовности.

Очень коротко о ракетных топливах

Примечание: почему-то за эту же самую процедуру нагибал (почти "чморил") Илона Маска известный писатель Дмитрий Конаныхин.

См:

В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 1
В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 2

Озон-O3

Очень коротко о ракетных топливах

Молекулярная масса=48 а.е.м., молярная масса=47,998 г/моль

Плотность жидкости при -188 °C (85,2 К) составляет 1,59(7) г/см³

Плотность твёрдого озона при −195,7 °С (77,4 К) равна 1,73(2) г/см³

Температура плавления −197,2(2) °С (75,9 К)

Давно инженеры мучились с ним, пытаясь использовать в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике.

Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и Iуд. У жидкого озона большая плотность, чем у жидкого кислорода (1,35 против 1,14 г/см³ соответственно), а его Т кипения выше (−112 °C и −183 °C соответственно).

Пока непреодолимым препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона с разложением его на O и O2, при котором возникает движущаяся со скоростью около 2 км/с детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 3·107 дин/см2 (3 МПа), что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники, за исключением использования устойчивых кислород-озоновых смесей (до 24 % озона). Преимуществом подобной смеси также является больший удельный импульс для водородных двигателей, по сравнению с озон-водородными. На сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по Iуд на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива.

Азотная кислота-HNO3

Очень коротко о ракетных топливах

Состояние - жидкость при н.у.

Молярная масса 63.012 г/моль (не важно, что я использую молярную массу или молекулярную массу-это не меняет сути)

Плотность=1,513 г/см³

Т. плав.=-41,59 °C,Т. кип.=82,6 °C

HNO3 имеет высокую плотность, невысокую стоимость, производится в больших количествах, достаточно стабильна, в том числе при высоких температурах, пожаро- и взрывобезопасная. Главное ее преимущество перед жидким кислородом в высокой температуре кипения, а, следовательно, в возможности неограниченно долго храниться без всякой теплоизоляции. Молекула азотной кислоты HNO3 – почти идеальный окислитель. Она содержит в качестве “балласта” атом азота и “половинку” молекулы воды, а два с половиной атома кислорода можно использовать для окисления топлива. Но не тут-то было! Азотная кислота настолько агрессивное вещество, что непрерывно реагирует само с собой–атомы водорода отщепляются от одной молекулы кислоты и присоединяются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушаются концентрированной азотной кислотой (в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов). Для уменьшения коррозионной активности в азотную кислоту стали добавлять различные вещества, всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз.

Очень коротко о ракетных топливах

Для повышения уд.импульса в кислоту добавляют двуокись азота (NO2). Добавка диоксида азота в кислоту связывает попадающую в окислитель воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты, увеличивается плотность раствора, достигая максимума при 14% растворенного NO2. Эту концентрацию использовали американцы для своих боевых ракет.

Очень коротко о ракетных топливах

Мы почти 20 лет искали подходящую тару для азотной кислоты. Очень трудно при этом подобрать конструкционные материалы для баков, труб, камер сгорания ЖРД.

Вариант окислителя, что выбрали в США, с 14 % двуокиси азота. А наши ракетчики поступили иначе. Надо было догонять США любой ценой, поэтому окислители советских марок – АК-20 и АК-27 – содержали 20 и 27 % тетраоксида.

Интересный факт: в первом советском ракетном истребителе БИ-1 были использованы для полетов азотная кислота и керосин.

Очень коротко о ракетных топливах

Баки и трубы пришлось изготовлять из монель-металла: сплава никеля и меди, он стал очень популярным конструкционным материалом у ракетчиков. Советские рубли были почти на 95 % сделаны из этого сплава.

Очень коротко о ракетных топливах

Недостатки: терпимая "гадость". Коррозионною активна. Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.

Азотный тетраоксид-АТ (N2O4)

Молярная масса=92,011 г/моль

Плотность=1,443 г/см³

"Принял эстафету" от азотной кислоты в военных двигателях. Обладает саомовоспламеняемостью с гидразином, НДМГ. Низкокипящий компонент, но может долго хранится при принятии особых мер.

Очень коротко о ракетных топливах

Недостатки: такая же гадость, как и HNO3, но со своими причудами. Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида, иногда её называют "красной дымящейся азотной кислотой". Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.

Очень коротко о ракетных топливах

В основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД КА благодаря своим свойствам: долгохранимость и самовоспламеняемость. Характерные горючие для АТ это НДМГ и гидразин.

Фтор-F2

Очень коротко о ракетных топливах

Атомная масса=18,998403163 а. е. м. (г/моль)

Молярная масса F2, 37,997 г/моль

Температура плавления=53,53 К (−219,70 °C)

Температура кипения=85,03 К (−188,12 °C)

Плотность (для жидкой фазы), ρ=1,5127 г/см³

Химия фтора начала развиваться с 1930-х годов, особенно быстро - в годы 2-й мировой войны 1939-45 годов и после нее в связи с потребностями атомной промышленности и ракетной техники. Название "Фтор" (от греч. phthoros - разрушение, гибель), предложенное А. Ампером в 1810 году, употребляется только в русском языке; во многих странах принято название "флюор". Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Окисляет и кислород, и воду, и вообще практически всё. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!

Супер? Облом, а не "супер"...

Врагу такой окислитель не пожелаешь.

Чрезвычайно коррозионною активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же "грехи": жутко коррозионны и токсичны.

Техника безопасности. Фтор токсичен, предельно допустимая концентрация его в воздухе примерно 2·10-4 мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5·10-3мг/л.

ЖРД 8Д21 применение пары фтор + аммиак давало удельный импульс на уровне 4000 м/с.
Для пары F2+H2 получается Iуд=4020 м/с!

Беда: HF-фтороводород на "выхлопе".

Стартовая позиция после запуска такого "энергичного движка"?

Лужа жидких металлов и прочих растворённых в плавиковой кислоте химических и органических объектов!
Н2+2F=2HF, при комнатной температуре существует в виде димера H2F2.

Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА не реально из-за убийственной сложности хранения и разрушительного действия продуктов сгорания.

Очень коротко о ракетных топливах

Всё то же самое относится и к остальным жидким галогенам, например, к хлору.

Очень коротко о ракетных топливах

Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС "Спираль" предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П. Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.

Перекись водорода-H2O2.

Очень коротко о ракетных топливах

Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.

Walter HWK 109-507: преимущества в простоте конструкции ЖРД. Яркий пример такого топлива - перекись водорода.

Очень коротко о ракетных топливах

Перекись водорода для роскошных волос "натуральных" блондинок и еще 14 секретов её применения .

Очень коротко о ракетных топливах

Alles: список более-менее реальных окислителей закончен. Акцентирую внимание на HClО4. Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только: моногидрат (Н2О+ClО4)-твёрдое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlО4)-плотная вязкая жидкость. Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива.

Окислители можно классифицировать и так:

Очень коротко о ракетных топливах

Итоговый (чаще используемый) список окислителей в связке с реальными же горючими:

Очень коротко о ракетных топливах

Примечание: если хотите перевести один вариант удельного импульса в другой, то можно пользоваться простой формулой: 1 м/с = 9,81 с.

В отличие от них - горючих у нас "завались" .

Горючие

Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПа

Очень коротко о ракетных топливах

По физико-химическому составу их можно разбить на несколько групп:

Углеводородные горючие.

Низкомолекулярные углеводороды.

Простые вещества: атомарные и молекулярные.

Для этой темы пока практический интерес представляет лишь водород (Hydrogenium).

Na, Mg, Al, Bi, He, Ar, N2, Br2, Si, Cl2, I2 и др. я не буду рассматривать в этой статье.

Гидразиновые топлива ("вонючки").

Просыпайтесь сони - мы добрались уже до спирта(С2Н5ОН).

Очень коротко о ракетных топливах

Поиски оптимального горючего начались с освоения энтузиастами ЖРД. Первым широко использовавшимся горючим стал спирт (этиловый), применявшийся на первых

советских ракетах Р-1, Р-2, Р-5 ("наследство" ФАУ-2) и на самой Vergeltungswaffe-2.

Очень коротко о ракетных топливах

Вернее раствор 75% этилового спирта (этанол, этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт или алкоголь, часто в просторечии просто «спирт») — одноатомный спирт с формулой C2H5OH (эмпирическая формула C2H6O), другой вариант: CH3-CH2-OH

У этого горючего два серьёзных недостатка, которые очевидно не устраивали военных: низкие энергетические показатели и низкая стойкость личного состава к «отравлению» таким горючим .

Сторонники здорового образа жизни (спиртофобы) пытались решить вторую проблему с помощью фурфурилового спирта. Это ядовитая, подвижная, прозрачная, иногда желтоватая (до темно-коричневого), со временем краснеющая на воздухе жидкость. ВАРВАРЫ!

Очень коротко о ракетных топливах

Хим. формула:C4H3OCH2OH, Рац. формула:C5H6O2. Отвратительная жижа.К питью не годна.

Группа углеводородов.

Керосин

Условная формула C7,2107H13,2936

Горючая смесь жидких углеводородов (от C8 до C15) с температурой кипения в интервале 150—250 °C, прозрачная, бесцветная (или слегка желтоватая), слегка маслянистая на ощупь

плотность — от 0,78 до 0,85 г/см³ (при температуре 20°С);

вязкость — от 1,2 – 4,5 мм²/с (при температуре 20°С);

температура вспышки — от 28°С до 72°С;

теплота сгорания — 43 Мдж/кг.

Моё мнение: о точной молярной массе писать бессмысленно

Очень коротко о ракетных топливах

Керосин является смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим. формуле) и "размазанная" температура кипения. Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно во всём мире в двигателях и в авиации. Именно на нем до сих пор летают "Союзы". Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. Всё же керосин опасен и вреден для здоровья (употребление внутрь).

А ведь находятся люди, которые им что только ни лечат! Минздрав категорически против!

Солдатские байки: хорошо помогает избавиться от противных Pthirus pubis .

Однако и он требует осторожности в обращении при эксплуатации: видео аварии пассажирского самолёта

Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве. Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность.

Очень коротко о ракетных топливах

Американские ракетные керосины Rocket Propellant-1 или Refined Petroleum-1

Очень коротко о ракетных топливах

Относительно дешёвый был раньше .

Для повышения плотности лидерами освоения космоса были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).

Синтез синтина .

Керосин имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что отрицательно сказывается на охлаждении. На это его нехорошее свойство педалируют Мухин, Велюров @Co .

Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.

Шедевр человеческого разума и инженерии наша "жемчужина" РД-170/171:

Очень коротко о ракетных топливах

Теперь более корректным названием для горючих на основе керосина стал термин УВГ -"углеводородное горючее", т.к. от керосина, который жгли в безопасных керосиновых лампах И. Лукасевича и Я. Зеха, применяемое УВГ "ушло" очень далеко .

Как пример: нафтил .

Очень коротко о ракетных топливах

На самом деле "Роскосмос" дезу выдаёт:

После того, как в ее баки закачают компоненты топлива — нафтил (ракетный керосин), сжиженный кислород и пероксид водорода, космическая транспортная система будет весить более 300 тонн (в зависимости от модификации РН.

Низкомолекулярные углеводороды

Метан-CH4

Очень коротко о ракетных топливах

Молярная масса: 16,04 г/моль

Плотность газ (0 °C) 0,7168 кг/м³;

жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³

Т. плав.=-182,49 °C

Т. кип.=-161,58 °C

Всеми сейчас рассматривается как перспективное и дешёвое топливо, как альтернатива керосину и водороду.

Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:

— Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения — то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.

Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: около 3250-3300 м/с на земле. Неплохой охладитель.

Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. В последнее время идут активные НОР и НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120 ).

Очень коротко о ракетных топливах

«Роскосмос» уже в 2016 году приступил к разработке силовой установки на сжиженном природном газе.

Или "Kinder Surpeis", как пример: американский Raptor engine от Space X:

Очень коротко о ракетных топливах

К этим топливам можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики, как горючих, близки (за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения) к УВГ. И имеются такие же проблемы при их использовании.

Особняком среди горючих позиционируется Водород -H2 (Жидкий: LH2).

Очень коротко о ракетных топливах

Молярная масса водорода равна 2 016 г / моль или приближенно 2 г / моль.

Плотность (при н. у.)=0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³

Температура плавления=14,01K (-259,14 °C);

Температура кипения=20,28K (-252,87 °C);

Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским, но реализовано другими:

Очень коротко о ракетных топливах

С точки зрения термодинамики Н2 идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода ТНА.

Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок: