Какое топливо используется в ракетах

21

Виды ракетного топлива: современные вещества и перспективные разработки

Оторваться от Земли, набрать скорость, достаточную, чтобы выйти на орбиту – это требует колоссальных затрат топлива. Например, сухая масса ракеты «Союз» – это масса без учета топлива, чуть больше тридцати трех с половиной тонн. Но на старте общая масса ракеты – почти 308 тонн – только одиннадцать процентов от общей массы выходят в космос с полезной нагрузкой. Больше 270 тонн топлива сгорает, чтобы «Союз» преодолел притяжение.

В материале «Научной России» о видах ракетного топлива, которые используют сегодня, и о перспективных разработках.

Твердое ракетное топливо

Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры.

Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше.

Твердотопливные ускорители использовали при запуске американских шаттлов – два таких устройства, длиной сорок пять с половиной метров и общей массой 1180 тонн разгоняли корабли и отделялись на высоте около сорока пяти километров примерно через две минуты после запуска: они спускались на парашютах и после заправки их использовали снова.

Современные твердые топлива – это смесь горючих веществ и окислителя. Для ракетостроения подходят многие, но большинство основаны на окислителях, которые способны взаимодействовать с разным горючим. Это могут быть перхлораты аммония, лития или калия. Или нитраты калия или аммония. Как горючее используют металлы, или их сплавы, например, алюминий, магний, литий и бериллий. Возможно использование и других материалов: полимеров или смол, как полиэтилен, каучук и битум.

Жидкое ракетное топливо

Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.

Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то как окислитель используют четырехокись азота — N2O4.

Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.

Топливо жидкостных двигателей может быть и однокомпонентным. Из-за небольшого удельного импульса и меньшей эффективности такие виды менее популярны, чем двухкомпонентные смеси, но их отличает простота в конструкции двигателя. Однокомпонентное топливо – это жидкость, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Это может быть гидразин, который разлагается на аммиак и азот, или концентрированный пероксид водорода, который образует перегретый водяной пар и кислород. В качестве катализатора может выступать, например, окись железа.

Топливо будущего

Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.

Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.

А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы.

Сага о ракетных топливах

А его и не будет, что бы не спамить, всё описано в «послесловии». Обязательно его прочтите, что бы не было диссонанса с более ранними комментариями.
Статью пришлось переделать 01.03.2017 и она отличается от первоначальной.

Achtung! Не стоит рассматривать эту статью, как некий научный труд или претензия на нобелевку.
Тем более:

(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.

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 Лин Индастриал» не дают покоя.

«Соображать» будем вместе, под строгим родительским контролем.

«Ключ на старт»… «Поехали»! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)

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):

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.

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:

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)

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

При прочих важных параметрах для №1 нас интересует R и Т (со всеми индексами).
Нужно, что бы: 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

# С эксплуатационных задач важны (№3):

-химическая стабильность ТК;
-простота заправки, хранения, перевозки и изготовления;
-экологическая безопасность (во всём «поле» применения), а именно токсичность, себестоимость производства и транспортировки и т.д. и безопасность при работе РД (взрывоопасность).
Подробнее смотри «Сага о ракетных топливах-обратная сторона медали».

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 РД:

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

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

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.

-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, что бы 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.

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

Себестоимость производства: нагрузка на экономику страны, претендующей на роль «космического извозчика».
Этих требований много и как правило они антогоничны друг другу.

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

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).

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.)

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:

Соответственно они хранятся без особых манипуляций с охлаждением баков.

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:

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

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

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):

Он снаружи (арматура, магистрали) полностью залит теплоизоляционным материалом.

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

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.

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.

Пример:керосин+LOX или LH2+LOX.

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

Идеальны для транспортировки, хранения и «протечкоустойчивы».

Еще вариант разделения-по уровню энергетических характеристик ЖРТ:

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.
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.

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

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 Кm). В ДУ ИСЗ, КК и КА часто применяют не один, а несколько баков окислите­ля и горючего, что дополнительно усложняет систему трубопроводов двухкомпонентной ДУ.

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)

Окислители.

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

Криогенный-необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом.

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.

Затруднено использование в качестве охладителя КС и сопла ЖРД.

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

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:

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.

Озон-O3

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 Ткипения 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

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.

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.

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

Азотный тетраоксид-АТ (N2O4)

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

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.

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.

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. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!
Супер? Облом, а не «супер».
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 элементов!
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 сложностей хранения.

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

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.

Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.

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

Перекись водорода для роскошных волос и еще 14 секретов применения.

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:

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

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

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

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.

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 использовать фурфуриловый спирт-ядовитая, подвижная, прозрачная, иногда желтоватая (до темно-коричневого), со временем краснеющая на воздухе жидкость.

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

Группа углеводородов.
Керосин

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: авария 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.

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

Относительно дешёвый (был):


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 свойство педалируют Мухин, Велюров @Co.
Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.

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

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.

Низкомолекулярные углеводороды

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).

Или как «свежий» пример-американский Raptor engine от Space X:

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 использования.

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

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

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:

Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ) — безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.

Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис».

Высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3835 м/с.

Из реально используемых это самый высокий показатель. Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист, на «выходе» в контакте с О2: вода (водяной пар).
Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. Нетоксичен.

Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.

1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки РН «Энергия» и МТКК «Шаттл». Из-за низкой плотности применим (как правило) на верхних ступенях РН.

Кроме того низкая плотность ставит непростую задачу для насосов: насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.

По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосные агрегаты горючего (БНАГ) сразу за заборным устройством в баках, дабы облегчить жизнь основному ТНА.

Насосы водорода для оптимальных режимов требуют значительно высокой частоты вращения.

2. Низкая температура. Криогенное топливо. Перед заправкой необходимо проводить многочасовое захолаживание (и/или переохлаждение) баков и всего тракта. Баки РН «Falocn 9FT» взгляд изнутри:

Подробнее о «сюрпризах»:
«МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМАХ» Н0Р В.А. ГордеевВ.П. Фирсов, А.П. Гневашев, Е.И. Постоюк
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, КБ «Салют»; «Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

Низкая температура кипения затрудняет хранение этого топлива.

3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа:

Это всё накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, ЖРД, ТНА, циклограммы работы, и особенно насосов.

4. Газообразный водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы. Н2г обладает высокой теплопроводностью, равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху).
Водород в обычном состоянии при низких температурах малоактивен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с Сl2. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла;

5. Со щелочными и щелочно-земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды – до насыщенных (см. Гидрирование).
Водород очень легко отдает свой электрон. В растворе отрывается в виде протона от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О. Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.

6. Пожароопастность и взрывоопасность. Можно не рассусоливать: гремучую смесь все знают.
Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.

Т.о. водород есть и Gut (даже Sehr Gut), и одновременно „головная боль“ (даже сильная боль головная).
Первый закон диалектики: „Единство и борьба противоположностей“ /Georg Wilhelm Friedrich Hegel/

Впечатляет Space Shuttle Main Engine (SSME)?

Вероятно увидев это и посчитав его стоимость (стоимость вывода на орбиту 1 кг ПН) законодатели и те кто рулит бюджетом США и NASA в частности… решили „ну его нафиг“.
Ия их понимаю- на РН „Союз“ и дешевле и безопаснее, да использование РД-180/181 снимает многие проблемы американских РН и существенно экономит деньги налогоплательщиков.

Наиболее освоены водородные двигатели в США.
Сейчас мы позиционируемся на 3-4 месте в „Водородном клубе“ (после Европы, Японии и Китая/Индии).

Отдельно упомяну твёрдый и металлический водород.

Твердый водород кристаллизуется в гексагональной решетке (а = = 0,378 нм, с = 0,6167 нм), в узлах которой расположены молекулы Н2, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами; плотность 86,67 кг/м³; С° 4,618 Дж/(моль*К) при 13 К; диэлектрик. При давлении свыше 10000 МПа предполагается фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами. Теоретически предсказана возможность сверхпроводимости „металлический водород“.

Шотландский химик Дж. Дьюар в 1899 году впервые получил водород в твёрдом состоянии.
Для этого он использовал регенеративную охлаждающую машину, основанную на эффекте Джоуля—Томсона.

Беда с ним. Он постоянно теряется: »Ученые потеряли единственный в мире образец металлического водорода».
Почему-то мне это напомнило «нанотанк Чубайса». Это нано-чудо не могут найти уже лет 7 или больше.

Анамезон, антивещество, метастабильный гелий пока оставлю за кадром.

Очень распространенное топливо.
Хранится долго, и его за это «любят». Широко используется в ДУ КА и МБР, т.е. там, где долгохранимость имеет критическое значение.

Кого смутил Iуд в размерности Н*с/кг отвечаю: это военное обозначение.
Ньютон — производная единица, исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. Таким образом, 1 Н = 1 кг·м/с 2 .
Соответственно: 1 Н*с/кг =1 кг·м/с 2 *с/кг=м/с.
Освоен в производстве.

Недостатки: токсичен, вонючий.

Пары гидразина при адиабатном сжатии взрываются.Склонен к разложению, что однако позволяет его использовать как монотопливо для ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). В силу освоенности производства более распространен в США.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)-H2N-N(CH3)2

Широко используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости. При освоении технологии ампулирования-практически исчезли все проблемы.
Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином.

Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями.
Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР.
Любимое топливо В.П.Глушко. Не любимое топливо моего ОЗК и окружающей живой природы.

Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200).

Используется, как правило, с азотными окислителями на ЖРД МБР, БРПЛ и КА.

Недостатки: крайне токсичен. Такая же «вонючка». На порядок дороже керосина.

Гидразин чрезвычайно ядовит

Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ. Более распространен в СССР.
А в реактивном двигателе французского истребителя-бомбардировщика Dassault Mirage III (хорошее видео-рекомендую) НДМГ используют как активизирующую добавку к традиционному топливу.

По поводу гидразиновых топлив.

Удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²)

За кадром остались:
Анилин, метил-, диметил-и триметиламины и CH3NHNH2-Метилгидразин (он же монометилгидразин или гептил) и пр.

На профессиональном жаргоне эти топлива называют «вонючими» или «вонючками».

Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят «вонючие» двигатели, то «до замужества» она была боевой ракетой (МБР, БРПЛ или ЗУР-что уже редкость). Химия на службе армии.

Исключение, пожалуй, лишь РН Ariane- изделие кооператива: Aérospatiale, Matra Marconi Space, Alenia, Spazio, DASA и др. Её миновала в «девичестве» подобная участь боевой.

Военные практически все перешли на РДТТ, как более удобные в эксплуатации. Ниша для «вонючих» топлив в космонавтике сузилась до использования в ДУ КА, где требуется долгое хранение без особых материальных или энергетических затрат.
Пожалуй кратко обзор можно выразить графически:

Активно работают ракетчики с метаном. Особых эксплуатационных трудностей нет: позволяет неплохо поднять давление в камере (до 40 МПа) и получить хорошие характеристики.
(РД0110МД, РД0162. Метановые проекты. Перспективные многоразовые ракеты-носители) и остальными природными газами (СПГ).

О прочих направления по повышению характеристик ЖРД (металлизация горючих, использование Не2, ацетам и прочем) я напишу позже. Если будет интерес.
Использование эффекта свободных радикалов-хорошая перспектива.
Детонационное горение-возможность для долгожданного прыжка на Марс.

Послесловие (нормальное):

вообще все ракетные ТК (кроме НТК), а так же попытка изготовить их в домашних условиях- очень опасны. Предлагаю внимательно ознакомиться:

26-летний Крис Монгер, отец двоих детей, решил приготовить в домашних условиях ракетное топливо по инструкции, подсмотренной на YouTube. Смесь, которую он готовил на плите в кастрюле, ожидаемо взорвалась. В итоге мужик получил огромное количество ожогов и провел в больнице пять дней.

Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны и к местам их разлива без ОЗК и противогаза-ЛУЧШЕ не подходить:

Как и с разлитой ртутью: звонить в МЧС, быстро приедут и всё профессионально подберут.

Послесловие, которое должно быть на самом деле

В принципе по комментариям к статье внизу видно для чего оно.
Кратко, без вываливания всей писанины и переписки суть С.С. Факас и его друзья, сподвижники и т.д. обвинили меня смотрим скрин

1. Ни чего не крал. Вот статья:Факас С.С.«Основы ЖРД. Рабочие тела»
Ни какого указания на «все материалы, размещённые на сайте, являются интеллектуальной собственностью автора» нет. Можно проверить.
Запретов на копирование, использование и распространения нет.
2. Я всегда связываюсь с автором и всегда (если он отвечает) получаю ответ:

такой же или аналог. Могу привести примеры. Отказов не было.
причём авторы этих материалов с регалиями, и работы их действительно авторские (оригинальные).
Любой может попытаться связаться с С.С. Факас кликнув «пишите мне».
Результата будете ждать долго. Жизни не хватит.
То же самое сделал и я. Ответа не получил. Зато получил письмо в личку от sergiy_fakas

майл «почил в бозе, ищи через „аську“ (Светку, Наташку) т.е. осуществить полноценную ОРД на территории Украины. Я не готов на такие усилия.
3. См.п.1 можно спорить об оригинальности, авторстве и эксклюзивности текста.
Да. Фраза „о флеймоопасности темы“ согласен „украдена“. Больно заковыриста и понравилась.
Но рядом с ней не стоит Факас С.С.
»Текст настолько мой»-а кто отрицал? В первоисточниках (ссылка) указано:

Согласен и виновен: копировал и вставлял, схалявил. Но тем он (текст) мне и понравился, что написан человеком с юмором и бывшим в теме.
Тем более мне этот текст и притащил мой отпрыск.
На счёт оригинальности: на вкус и цвет.
Рекомендую почитать Г.Г. Гахун «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», Москва, «Машиностроение, 1989., скачать можно здесьздесь.
по мне так это конспект лекций кого-то из авторов
4. Хороший урок мне.
4.1.Там (в тексте) смайликов столько, что на ГИКе закармили и заминусовали бы на ура.
Потрудился, смайлики убрал
4.2. Переработка „украденого“ позволила в модифицированной статье убрать откровенные ляпы (пропущенные мной):

На каком топливе летают космические ракеты?

Каким бы ни было топливо, его горение по сути есть процесс окисления, который возможен только при наличии кислорода в чистом виде либо в каком-либо соединении (например, азотная кислота, перекись водорода и т.п.). Окружающая нас земная атмосфера содержит 21% кислорода, и этого вполне достаточно для горения, то есть для работы тепловых машин. Другое дело, когда тепловой двигатель установлен на объекте, выходящем за пределы земной атмосферы. Там он работать не сможет — ему просто «нечем дышать». Поэтому космические, как и боевые баллистические ракеты, приводимые в движение ракетными двигателями, должны нести комплексное топливо, состоящее из горючего и окислителя, причём последнего должно быть, как правило, больше (приблизительно раза в полтора).

Горючее для ракетных двигателей должно отвечать целому ряду требований. Прежде всего учитывается его энергоёмкость, определяемая удельной теплотой сгорания, а также плотность (чем она меньше, тем больше полезного груза сможет поднять ракета). Поскольку старт ракет и начальный участок их траектории проходит в атмосфере, то к компонентам ракетного топлива предъявляются и экологические требования.

В качестве горючего чаще всего используются керосин, метиловый и этиловый спирты и водород. Последний имеет самую высокую удельную теплоту сгорания и самую низкую плотность. Однако реально водород может быть использован только в сжиженном состоянии, для достижения которого газ нужно охладить до -259 °С. В противном случае (использования в газообразном состоянии) потребовались бы баки непомерного размера либо прочные (и соответственно тяжёлые) баки, рассчитанные на высокое давление сжатого газа.

Последним достижением советских химиков стала разработка ракетного горючего гептила и окислителя амила. Надо отметить, что оба эти вещества способны нанести серьёзный урон как людям, так и любым природным объектам. Любое соприкосновение с гептилом пагубно влияет практически на все системы человеческого организма. Поэтому хранение его затруднено, а личный состав, обслуживающий снаряжённые гептилом ракеты, может работать только в защитных комбинезонах и противогазах. Учитывая это, несмотря на высокую энергоёмкость, топливо «гептил/амил» используется только в боевых баллистических ракетах.

Поиск продолжается

Учёные и инженеры многих стран продолжают поиск альтернативных компонентов ракетного топлива. В поле их зрения попал природный газ. Почти не уступая керосину и превосходя спирты по энергоёмкости, этот газ имеет невысокую плотность. Однако, возможно, главным его преимуществом является доступность и дешевизна в связи с гигантскими масштабами разведанных природных запасов и развитием газодобычи во всём мире.

Основным компонентом природных газов является метан. Этот простейший из углеводородов, имеющий несложную формулу CH₄, известен науке уже давно. Ещё в 1776 году итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре. В ходе исследований он показал возможность поджигать газ с помощью электрической искры.

На Земле метана много: из него состоят рудничные газы, он составляет до 90% попутных нефтяных газов. По утверждению астрофизиков, метан в значительных концентрациях присутствует в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Так, предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (-180 °С) расположены целые озёра жидкой метано-этановой смеси. Правда, дотянуться до этих сокровищ человечеству в обозримой перспективе вряд ли удастся.

Впервые о метане как о потенциальном ракетном горючем упоминалось 60 лет назад в книге Валентина Глушко и Георгия Лангемака, однако применение метана (как и водорода) сдержи — « валось в связи с приоритетом в ж те годы разработок боевых paкет на основе топлива, способного длительно сохранять свои качества после заполнения ракетных баков. Но начиная с 1981 года к перспективным разработкам плотно подключилась ведущая двигателестроитель-ная фирма НПО «Энергомаш» им. Глушко. К настоящему времени здесь проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования по созданию жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на топливной паре «метан-кислород». Оба компонента используются в сжиженном состоянии, для чего метан охлаждается до -165 °С. Результаты исследований подтвердили целесообразность разработки на этой топливной паре ЖРД практически любой мощности. XXI век становится веком информации, а это потребует вывода в космос на различные орбиты сотен спутников Земли и иных космических объектов. Станет необходимым использование высоконадёжных и экономичных ракет большой грузоподъёмности, не наносящих ущерба экологии нашей планеты. Какие преференции обещает метан? Замена жидким метаном керосина обеспечивает более высокие энергетические характеристики ракет (даёт увеличение на 20-30% массы полезного груза при той же стартовой массе ракеты);

— высокую экологическую чистоту как продуктов сгорания, так и компонентов топлива, попадающих на землю при аварийных проливах;

• Последний полёт на Луну
• Лунная гонка СССР
• Авария на Салют-7
• Владимир Комаров: Космонавт который упал из космоса
• Curiosity отправится на Марс!
• Суборбитальный самолёт X-15
• Катастрофа шаттла Челленджер в 1986 году
• Проклятый космодром Ванденберг

— более низкую (приблизительно в три раза) стоимость заправки ракеты.

Кроме того, близость температурных диапазонов жидких фаз кислорода и метана открывает дорогу для новых конструктивных решений, способствующих снижению веса ракеты.

Из-за того что плотность сжиженного метана меньше на 20%, чем у керосина, в тех же топливных баках ракеты размещается меньшая масса горючего. Однако это с избытком компенсируется повышенной удельной энергоёмкостью метана.

Источник: издание Запретная история №2(95), январь 2020 года
Рубрика: История космонавтики
Автор: Константин Ришес

Ракетное топливо

Если по -простому, то отличие ракетного топлива от автомобильного в том, что автомобили используют обычный воздух, смешанный с кислородом, для сжигания топлива, а ракеты используют только кислород в качестве окислителя.

• обеспечивает отрыв массы от стартового ствола;
• реактивную тягу для движения ракеты в заданном направлении;
• ускорение.

• самый легкодоступный элемент на Земле, а его запасы почти неограничены;
• водород можно легко получить простым электролизом воды;
• это также чистый источник энергии, свободный от загрязняющих веществ после сгорания. После сгорания остается вода;
• с развитием науки и техники постепенно преодолеваются различные сложные технические проблемы.

• в США и Японии предпочитают использовать жидкий водород;
• И. Маск рекомендует сжиженный метан:
  • он поведал об этом в плане полетов на Марс SpaceX,
  • в планах использовать ресурсы, которыми изобилует Марс, для производства метанового газа, его сжижения и использования в качестве ракетного топлива,
  • он уже разработал двигатель и провел испытания горения;

  Отличие ракетного топлива от автомобильного в том, что автомобили используют обычный воздух, смешанный с кислородом, для сжигания топлива, а ракеты используют только кислород в качестве окислителя.