Жидкие ракетные топлива (ЖРТ)

 

2.1.1. Требования, предъявляемые к ЖРТ

 

Жидкое РТ – это вещество (совокупность веществ) в жидком состоянии, способное к химическим реакциям с выделением тепловой энергии и образованием газообразных ПС, создающих реактивную силу при истечении из РС.

Компонент ЖРТ (КРТ) – отдельно хранимая и подводимая к двигателю составляющая ЖРТ.

Преобразование химической энергии ЖРТ в тепловую происходит в результате окислительно-восстановительной реакции горения. Для осуществления этой реакции необходимо наличие двух компонентов:

1. окислительные – кислород (О₂), фтор (F), азот (N);

2. восстановительные – водород (Н), углерод (С), алюминий (Al), литий (Li), бор (В).

К качеству ракетных топлив предъявляются следующие требования:

1. Пригодность КРТ по своим физико-химическим свойствам для использования в данном типе ракет, исходя из условий базирования и применения (рис. 2.1).

Диапазон от Т _пл до Т _кип должен быть шире, чем диапазон от Т _min до Т _max – температур эксплуатации, то есть: Т _пл < Т _min; Т _кип > Т _max.

Давление насыщающих паров p_S должно быть ниже максимально допустимого давления из условия прочности топливных баков при максимальной температуре эксплуатации Т _max.

При соблюдении данных условий возможно длительное хранение КРТ в баках ракет в жидком состоянии. Если ракета заправляется непосредственно перед стартом, то возможно использование криогенных топлив, у которых (Т _пл, Т _кип) < Т _min, но зато выше энергетика.

2. Высокие энергетические свойства и высокая плотность топлива, то есть возможность достижения высокого удельного импульса тяги при меньшем объеме топлива, что позволяет создать ракету минимальных габаритов и массы. Эти качества характеризуются высоким значением расходного комплекса β.

3. Соответствие современным технологиям:

- должна быть отработана технология хранения, эффективного и полного сжигания данных КРТ;

- желательно, чтобы КРТ обладали низкой вязкостью и высокой теплоемкостью (это важно для использования КРТ для охлаждения стенок КС и РС).

4. Высокие эксплуатационные качества, то есть высокие Т _{вспышки} и Т _{воспламенения}, низкие токсичность, гигроскопичность, растворимость воды, агрессивность, высокая физико-химическая стабильность.

5. Экономичность, то есть широкая сырьевая база, простая технология получения КРТ, двойное использование.

Физико-химические свойства КРТ приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

 

Компонент	Формула	ρ×10^3 кг/м^3	Т пл, K	Т кип, K	Теплоемкость, Дж/кг·K	ПДК, мг/м^3
Окислители:
Кислород	О2	1,14	54	90	1700	нетоксичен
Фтор	F2	1,51	53	85	1536	0,03
Азотная кислота	HNO3	1,50	230	359	1763	5
Перекись водорода	H2O2	1,43	272	424	2880	1
Четырех- окись азота	N2O4	1,44	262	294	1539	5
Горючие:
Водород	H	0,07	13,9	20,4	9460	нетоксичен
Гидразин	N2H2	1.00	275	387	3084	0,1
Несимметрич- ный диметил- гидразин	H2N-N(CH3)2	0,79	216	335	3280	0,1
Этиловый спирт	C2H5OH	0,78	159	351	2390	1000
Керосин	C7,21H13,29	0,84	210	500	2280	-
Аэрозин-50	50% N2H2 + 50% НДМГ	0,9	266	343	3000	0,1

 

2.1.2. Классификация ЖРТ

 

Схема классификации ЖРТ приведена на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Схема классификации ЖРТ

 

Унитарные – однокомпонентные ЖРТ (см. рис. 2.2), реакция окисления (разложения) которых начинается при нагреве (перекись водорода) или введении катализатора (гидразин).

Преимуществом унитарных ЖРТ является простая система подачи топлива в КС, однако они имеют низкую энергетику . Используются в основном во вспомогательных РД или газогенераторах (ГГ).

Многокомпонентные: - двухкомпонентные (горючее + окислитель);
- трехкомпонентные (горючее + окислитель + энергетические добавки). В качестве энергетических добавок, повышающих температуру горения, используют порошки легких металлов (бериллий, литий, алюминий) и их гидриды.

Недостатком многокомпонентных ЖРТ является сложная система подачи топлива в КС, но они имеют более высокую энергетику, поэтому используются в маршевых РД.

Основные ЖРТ используются в маршевых РД для создания основной тяги.

Пусковые самовоспламеняющиеся ЖРТ, используются для поджига основного несамовоспламеняющегося топлива.

Вспомогательные ЖРТ используются в ГГ для создания рабочего тела для газовой турбины (ГТ), рулевых машин (РМ) и т.п.

Низкокипящие (криогенные) ЖРТ – это сжиженные газы (), кипящие при отрицательных температурах. Обладают высокой энергетикой, но не могут долго храниться в баках ракеты (испаряются при нормальной температуре окружающей среды).

Высококипящие ЖРТ сохраняют жидкое состояние во всем диапазоне эксплуатационных температур, но при этом обладают меньшей, чем криогенные ЖРТ энергетикой. Однако они более удобны в эксплуатации, особенно для стратегических ракет, находящихся на боевом дежурстве.

В современных маршевых РД ракет стратегического назначения используется штатное двухкомпонентное, высококипящее основное ЖРТ на основе следующих КРТ:

1. Горючее – НДМГ (несимметричный диметил-гидразин – "гептил") представляет собой бесцветную (светло-желтую) легко воспламеняющуюся жидкость, "дымящуюся" на воздухе. "гептил" имеет запах гниющей рыбы, крайне токсичен (предельно допустимая концентрация –  мг/л).

2. Окислитель – АТ (азотный тетраксид – "амил") представляет собой
красновато-коричневую сильно летучую жидкость с резким характерным запахом кислоты. Амил обладает сильным коррозионным действием на углеродистые стали и сильнейшим раздражающим и удушающим действием на человека. При соединении с НДМГ самовоспламеняется.

В маршевых двигателях ракет гражданского назначения используется как криогенное несамовоспламеняющееся РТ (керосин + жидкий кислород – ракетоносители космических кораблей "Союз", и "Прогресс"), так и самовоспламеняющиеся РТ (НДМГ+АТ – ракетоноситель "Протон").

 

2.1.3. Перспективы развития ЖРТ

 

Исследования в области создания новых топлив для РД, направлены, в основном, на улучшение энергетических показателей и эксплуатационных качеств.

Низкая плотность Т _кип жидкого водорода затрудняют его использование в космических летательных аппаратах (КЛА) для продолжительных полетов. В связи с этим представляется перспективным применение «шугообразного водорода», имеющего повышенную плотность и время хранения.

Низкомолекулярные углеводороды, такие как метан, этан, пропан в жидком состоянии, имеющие очень низкую стоимость, широкую сырьевую базу и являющиеся хорошими хладогентами, могут с успехом применяться в ракетоносителях

Самую высокую энергетическую эффективность и сравнительно высокую плотность имеют топлива на основе жидкого фтора в качестве окислителя и водорода в качестве горючего (I = 4800 м/с). Однако его использование затруднено крайне высокой токсичностью и агрессивностью фтора.

Большой интерес вызывает использование в качестве горючих легких металлов, таких как бериллий, литий, алюминий и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде О₂ выделяется больше теплоты, чем при горении водорода Н. Добавки этих металлов к жидким горючим способны увеличивать удельный импульс тяги I топливна 25%.

Однако возникают трудности с хранением и подачей металлов в КС РД. Проблему хранения однородной суспензии металлов в жидком горючем решают путем «гелирования» Превращение жидких компонентов в гелеобразные осуществляют с помощью добавок загустителей в виде высших полимеров и жирных кислот. Гель в статических условиях ведет себя как твердое тело, а при нагреве и приложении сдвиговых усилий (работа насоса) начинает течь подобно жидкости.

Таким образом, достижения в области химии и технологии позволяют создать эффективные топлива и обеспечить надежное обращение с ними. В тоже время следует иметь в виду, что в решении задачи создания новых видов топлива современная химия практически достигла предела по объективным причинам. А новые технологии позволяют только незначительно повышать качество топлива, не обеспечивая радикальный прорыв в этой области.

В связи с выше сказанным, следует, что наряду с работами по улучшению существующих топлив и поиску новых, необходимо подумать о принципиально новом подходе к решению задачи повышения удельного импульса тяги в несколько раз, а не только на несколько процентов.