Naglalaman ang rocket fuel ng fuel at oxidizer at, hindi tulad ng jet fuel, hindi nangangailangan ng panlabas na sangkap: hangin o tubig. Ang mga rocket fuel, ayon sa kanilang estado ng pagsasama-sama, ay nahahati sa likido, solid at hybrid. Ang mga likidong likido ay nahahati sa cryogenic (na may kumukulong punto ng mga sangkap sa ibaba zero degree Celsius) at high-kumukulo (ang natitira). Ang mga solidong gasolina ay binubuo ng isang compound ng kemikal, isang solidong solusyon, o isang plastic na pinaghalong mga sangkap. Ang mga hybrid fuel ay binubuo ng mga bahagi sa iba't ibang mga pinagsama-samang estado, at kasalukuyang nasa yugto ng pagsasaliksik.
Kasaysayan, ang unang rocket fuel ay itim na pulbos, isang timpla ng saltpeter (oxidizer), uling (fuel) at asupre (binder), na unang ginamit sa mga rocket ng Tsino noong ika-2 siglo AD. Ang amunisyon na may isang solidong propellant rocket engine (solidong propellant rocket engine) ay ginamit sa mga gawain sa militar bilang isang incendiary at signaling na paraan.
Matapos ang pag-imbento ng walang usok na pulbos sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, isang solong sangkap na ballistite fuel ang binuo batay dito, na binubuo ng isang solidong solusyon ng nitrocellulose (fuel) sa nitroglycerin (isang ahente ng oxidizing). Ang fuel ng Ballistite ay may maraming mas mataas na enerhiya kumpara sa itim na pulbos, may mataas na lakas sa makina, mahusay na nabuo, napapanatili ang katatagan ng kemikal sa mahabang panahon sa pag-iimbak, at may mababang presyo ng gastos. Natukoy ng mga katangiang ito ang malawakang paggamit ng ballistic fuel sa pinakalaking bala na nilagyan ng solidong mga propellant - mga rocket at granada.
Ang pag-unlad sa unang kalahati ng ikadalawampu siglo ng mga naturang pang-agham na disiplina tulad ng gas na dinamika, pisika ng pagkasunog at ang kimika ng mga compound na may mataas na enerhiya na posible upang mapalawak ang komposisyon ng mga rocket fuel sa pamamagitan ng paggamit ng mga likidong sangkap. Ang unang missile ng labanan na may likidong propellant rocket engine (LPRE) na "V-2" ay gumamit ng isang cryogenic oxidizer - likidong oxygen at isang mataas na kumukulo na gasolina - etil alkohol.
Matapos ang World War II, ang mga sandata ng rocket ay nakatanggap ng isang priyoridad sa pag-unlad kaysa sa iba pang mga uri ng sandata dahil sa kanilang kakayahang maghatid ng mga singil sa nukleyar sa isang target sa anumang distansya - mula sa ilang mga kilometro (rocket system) hanggang sa intercontinental range (mga ballistic missile). Bilang karagdagan, ang mga sandatang rocket ay may makabuluhang kahalili sa mga armas ng artilerya sa pagpapalipad, pagtatanggol sa hangin, mga puwersa sa lupa at navy dahil sa kawalan ng lakas ng recoil kapag naglulunsad ng bala sa mga rocket engine.
Kasabay ng ballistic at likidong rocket fuel, ang multicomponent mixed solid propellants ay binuo bilang pinakaangkop para sa paggamit ng militar dahil sa kanilang malawak na saklaw ng temperatura ng operasyon, pag-aalis ng panganib ng mga spills ng bahagi, mas mababang gastos ng solid-propellant rocket engine dahil sa kawalan ng mga pipeline, valve at pump na may mas mataas na thrust bawat bigat ng yunit.
Ang mga pangunahing katangian ng mga rocket fuel
Bilang karagdagan sa estado ng pagsasama-sama ng mga bahagi nito, ang mga rocket fuel ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na tagapagpahiwatig:
- tiyak na salpok ng tulak;
- katatagan ng thermal;
- katatagan ng kemikal;
- biological na pagkalason;
- density;
- usok.
Ang tukoy na salpok ng tulak ng mga rocket fuel ay nakasalalay sa presyon at temperatura sa silid ng pagkasunog ng makina, pati na rin sa molekulang komposisyon ng mga produkto ng pagkasunog. Bilang karagdagan, ang tukoy na salpok ay nakasalalay sa ratio ng pagpapalawak ng nozel ng engine, ngunit ito ay higit na nauugnay sa panlabas na kapaligiran ng teknolohiyang rocket (himpapawid ng hangin o kalawakan).
Ang mas mataas na presyon ay ibinibigay sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyales na istruktura na may mataas na lakas (mga bakal na haluang metal para sa mga rocket engine at organoplastics para sa mga solidong propellant). Sa aspektong ito, ang mga liquid-propellant rocket engine ay nauna sa mga solidong propellant dahil sa pagiging siksik ng kanilang propulsyon unit kumpara sa katawan ng isang solid-fuel engine, na kung saan ay isang malaking silid ng pagkasunog.
Ang mataas na temperatura ng mga produkto ng pagkasunog ay nakamit sa pamamagitan ng pagdaragdag ng metal na aluminyo o isang compound ng kemikal - aluminyo hydride sa solidong gasolina. Ang mga likidong likido ay maaaring gumamit lamang ng gayong mga additives kung sila ay pinalapot ng mga espesyal na additives. Ang thermal protection ng mga likidong rocket-propellant na rocket engine ay ibinibigay sa pamamagitan ng paglamig ng gasolina, proteksyon ng thermal ng mga solidong propellant - sa pamamagitan ng matatag na paglakip ng fuel block sa mga dingding ng makina at paggamit ng mga insert ng burnout na gawa sa carbon-carbon composite sa kritikal na seksyon ng ang nguso ng gripo.
Ang molekular na komposisyon ng mga produkto ng pagkasunog / agnas ng gasolina ay nakakaapekto sa rate ng daloy at kanilang estado ng pagsasama-sama sa exit ng nozel. Ang pagbaba ng bigat ng mga molekula, mas mataas ang daloy ng daloy: ang pinakapaboritong mga produkto ng pagkasunog ay mga molekula ng tubig, na sinusundan ng nitrogen, carbon dioxide, chlorine oxides at iba pang mga halogen; hindi gaanong ginugusto ang alumina, na kumukunsumo sa isang solidong nozel ng engine, sa gayon binabawasan ang dami ng mga lumalawak na gas. Bilang karagdagan, pinipilit ng maliit na bahagi ng oxygen ng oksido ang paggamit ng mga koneho na nozzles dahil sa nakasasakit na pagkasuot ng pinaka mahusay na parabolic Laval nozzles.
Para sa mga fuel rocket ng militar, ang kanilang katatagan sa init ay partikular na kahalagahan dahil sa malawak na saklaw ng temperatura ng pagpapatakbo ng teknolohiyang rocket. Samakatuwid, ang mga cryogenic liquid fuel (oxygen + petrolyo at oxygen + hydrogen) ay ginamit lamang sa paunang yugto ng pag-unlad ng mga intercontinental ballistic missile (R-7 at Titan), pati na rin para sa paglunsad ng mga sasakyan ng magagamit muli na mga sasakyang pangkalawakan (Space Shuttle at Inilaan ng Energia) para sa paglulunsad ng mga satellite at mga sandata sa kalawakan sa orbit ng mababang lupa.
Sa kasalukuyan, ang militar ay gumagamit ng eksklusibong mataas na kumukulong likidong gasolina batay sa nitrogen tetroxide (AT, oxidizer) at asymmetric dimethylhydrazine (UDMH, fuel). Ang katatagan ng thermal ng pares ng fuel na ito ay natutukoy ng kumukulong point ng AT (+ 21 ° C), na nililimitahan ang paggamit ng fuel na ito sa pamamagitan ng mga missile sa ilalim ng mga termostadong kondisyon sa ICBM at SLBM missile silos. Dahil sa pagiging agresibo ng mga sangkap, ang teknolohiya ng kanilang paggawa at pagpapatakbo ng mga tanke ng misayl ay / pag-aari ng isang bansa lamang sa mundo - ang USSR / RF (ICBMs "Voevoda" at "Sarmat", SLBMs "Sineva" at " Liner "). Bilang isang pagbubukod, ang AT + NDMG ay ginagamit bilang isang fuel para sa Kh-22 Tempest aircraft cruise missiles, ngunit dahil sa mga problema sa ground operation, ang Kh-22 at ang kanilang susunod na henerasyon na Kh-32 ay pinaplano na mapalitan ng jet-powered Ang mga Zircon cruise missile na gumagamit ng petrolyo bilang gasolina.
Ang katatagan ng thermal ng mga solidong fuel ay pangunahin na natutukoy ng kaukulang mga katangian ng solvent at polimer binder. Sa komposisyon ng mga fuel na ballistite, ang solvent ay nitroglycerin, na sa isang solidong solusyon na may nitrocellulose ay may saklaw na temperatura ng operasyon mula minus hanggang plus 50 ° C. Sa mga halo-halong fuel, iba't ibang mga synthetic rubber na may parehong saklaw na temperatura ng operating ang ginagamit bilang isang polimer binder. Gayunpaman, ang katatagan ng thermal ng mga pangunahing bahagi ng mga solidong fuel (ammonium dinitramide + 97 ° C, aluminyo hydride + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, ammonium perchlorate at HMX + 200 ° C) ay makabuluhang lumampas sa katulad na pag-aari ng mga kilalang tagabuklod, at samakatuwid ito ay may kaugnayan sa paghahanap para sa kanilang mga bagong komposisyon.
Ang pinaka-kemikal na matatag na pares ng gasolina ay AT + UDMG, dahil ang isang natatanging domestic teknolohiya ng ampulized na imbakan sa mga tanke ng aluminyo sa ilalim ng isang bahagyang labis na presyon ng nitrogen para sa isang halos walang limitasyong oras ay binuo para dito. Ang lahat ng mga solidong gasolina ay nagpapabagsak ng kemikal sa paglipas ng panahon dahil sa kusang pagkabulok ng mga polymer at kanilang mga teknolohikal na solvents, pagkatapos na ang mga oligomer ay pumasok sa mga reaksyong kemikal sa iba pa, mas matatag na mga sangkap ng gasolina. Samakatuwid, ang mga solidong propellant checker ay nangangailangan ng regular na kapalit.
Ang biologically na nakakalason na bahagi ng mga rocket fuel ay ang UDMH, na nakakaapekto sa gitnang sistema ng nerbiyos, mga mucous membrane ng mga mata at pantaong digestive tract, at pumupukaw ng cancer. Kaugnay nito, ang pagtatrabaho sa UDMH ay isinasagawa sa paghihiwalay ng mga suit ng proteksyon ng kemikal sa paggamit ng self -osed na paghinga na kagamitan.
Ang halaga ng density ng gasolina ay direktang nakakaapekto sa masa ng mga tanke ng gasolina ng LPRE at ng solidong propellant rocket na katawan: mas mataas ang density, mas mababa ang parasitiko na masa ng rocket. Ang pinakamababang density ng hydrogen + oxygen fuel pair ay 0.34 g / cu. cm, isang pares ng petrolyo + oxygen ay may density na 1.09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycerin - 1.62 g / cu. cm, aluminyo / aluminyo hydride + perchlorate / ammonium dinitramide - 1.7 g / cc, HMX + ammonium perchlorate - 1.9 g / cc. Sa kasong ito, dapat tandaan na ang solidong propellant rocket engine ng axial combustion, ang density ng fuel charge ay humigit-kumulang na dalawang beses na mas mababa kaysa sa density ng fuel dahil sa hugis ng bituin na seksyon ng combustion channel, ginamit upang mapanatili ang isang pare-parehong presyon sa silid ng pagkasunog, hindi alintana ang antas ng pagkasunog ng gasolina. Nalalapat ang pareho sa mga ballistic fuel, na nabuo bilang isang hanay ng mga sinturon o sticks upang paikliin ang oras ng pagkasunog at ang bilis ng pagpabilis ng mga rocket at rocket. Sa kaibahan sa kanila, ang kakapalan ng singil ng gasolina sa solidong mga propellant rocket engine na end combustion batay sa HMX ay kasabay ng maximum na density na ipinahiwatig para dito.
Ang huling ng pangunahing mga katangian ng mga rocket fuel ay ang usok ng mga produkto ng pagkasunog, na biswal na tinatanggal ang maskara ng paglipad ng mga rocket at rockets. Ang tampok na ito ay likas sa mga solidong fuel na naglalaman ng aluminyo, ang mga oxide na kung saan ay nakakadala sa isang solidong estado sa panahon ng paglawak sa nozel ng rocket engine. Samakatuwid, ang mga fuel na ito ay ginagamit sa solidong mga propellant ng ballistic missile, ang aktibong seksyon ng tilapon na kung saan ay nasa labas ng linya ng paningin ng kaaway. Ang mga missile ng sasakyang panghimpapawid ay pinalakas ng fuel ng HMX at ammonium perchlorate, rockets, granada at mga missile ng anti-tank - na may ballistic fuel.
Enerhiya ng mga rocket fuel
Upang ihambing ang mga kakayahan ng enerhiya ng iba't ibang mga uri ng rocket fuel, kinakailangan upang magtakda ng maihahambing na mga kondisyon ng pagkasunog para sa kanila sa anyo ng presyon sa silid ng pagkasunog at ratio ng pagpapalawak ng nozel ng rocket engine - halimbawa, 150 na mga atmospheres at 300-fold pagpapalawak Pagkatapos, para sa mga pares ng gasolina / triplet, ang tiyak na salpok ay:
oxygen + hydrogen - 4.4 km / s;
oxygen + petrolyo - 3.4 km / s;
AT + NDMG - 3.3 km / s;
ammonium dinitramide + hydrogen hydride + HMX - 3.2 km / s;
ammonium perchlorate + aluminyo + HMX - 3.1 km / s;
ammonium perchlorate + HMX - 2.9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycerin - 2.5 km / s.
Ang solidong gasolina batay sa ammonium dinitramide ay isang pag-unlad sa bahay noong huling bahagi ng 1980s, ginamit ito bilang isang gasolina para sa pangalawa at pangatlong yugto ng mga missile ng RT-23 UTTKh at R-39 at hindi pa nalampasan ang mga katangian ng enerhiya ng mga pinakamahusay na sample ng dayuhang gasolina batay sa ammonium perchlorate.ginamit sa mga misil ng Minuteman-3 at Trident-2. Ang Ammonium dinitramide ay isang paputok na nagpaputok kahit na mula sa light radiation, samakatuwid, ang paggawa nito ay isinasagawa sa mga silid na naiilawan ng mga pulang ilaw na ilaw. Ang mga paghihirap sa teknolohiya ay hindi pinapayagan na makabisado sa proseso ng pagmamanupaktura ng rocket fuel batay dito kahit saan sa mundo, maliban sa USSR. Ang isa pang bagay ay ang teknolohiyang Soviet na regular na ipinatupad lamang sa Pavlograd na planta ng kemikal, na matatagpuan sa rehiyon ng Dnepropetrovsk ng SSR ng Ukraine, at nawala noong dekada 1990 matapos na ang halaman ay mabago upang makabuo ng mga kemikal sa sambahayan. Gayunpaman, sa paghusga sa taktikal at panteknikal na mga katangian ng nangangako na sandata ng RS-26 na "Rubezh" na uri, ang teknolohiya ay naimbak sa Russia noong 2010s.
Ang isang halimbawa ng isang mabisang komposisyon ay ang komposisyon ng solidong rocket fuel mula sa Russian patent No. 2241693, pagmamay-ari ng Federal State Unitary Enterprise Perm Plant na pinangalanang CM. Kirov :
ahente ng oxidizing - ammonium dinitramide, 58%;
gasolina - aluminyo hydride, 27%;
plasticizer - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
binder - polybutadiene nitrile rubber, 2, 25%;
hardener - asupre, 1.49%;
combustion stabilizer - ultrafine aluminyo, 0.01%;
mga additives - carbon black, lecithin, atbp.
Mga prospect para sa pagbuo ng mga rocket fuel
Ang mga pangunahing direksyon para sa pagpapaunlad ng mga likidong rocket fuel ay (sa pagkakasunud-sunod ng prayoridad ng pagpapatupad):
- ang paggamit ng supercooled oxygen upang madagdagan ang density ng oxidizer;
- paglipat sa isang fuel vapor oxygen + methane, ang nasusunog na bahagi na mayroong 15% na mas mataas na enerhiya at 6 na beses na mas mahusay na kapasidad ng init kaysa sa petrolyo, na isinasaalang-alang ang katunayan na ang mga tangke ng aluminyo ay pinatigas sa temperatura ng likidong methane;
- pagdaragdag ng osono sa komposisyon ng oxygen sa antas na 24% upang madagdagan ang kumukulo na punto at enerhiya ng oxidizer (isang malaking proporsyon ng ozone ang pumutok);
- ang paggamit ng thixotropic (makapal) na gasolina, ang mga bahagi na naglalaman ng mga suspensyon ng pentaborane, pentafluoride, riles o kanilang mga hydride.
Ginagamit na ang supercooled oxygen sa paglunsad ng Falcon 9 na sasakyan; ang mga oxygen + methane-fueled rocket engine ay binuo sa Russia at Estados Unidos.
Ang pangunahing direksyon sa pagbuo ng mga solidong rocket fuel ay ang paglipat sa mga aktibong binders na naglalaman ng oxygen sa kanilang mga molekula, na nagpapabuti sa balanse ng oksihenasyon ng mga solidong propellant bilang isang buo. Ang isang modernong sample ng domestic na tulad ng isang binder ay ang komposisyon ng polimer na "Nika-M", na kinabibilangan ng mga cyclic group ng dinitrile dioxide at butylenediol polyetherurethane, na binuo ng State Research Institute na "Kristall" (Dzerzhinsk).
Ang isa pang promising direksyon ay ang pagpapalawak ng saklaw ng mga ginamit na paputok na nitramine, na mayroong mas mataas na balanse ng oxygen sa paghahambing sa HMX (minus 22%). Una sa lahat, ito ang hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, balanse ng oxygen na binawas 10%) at octanitrocubane (zero oxygen balanse), ang mga prospect na kung saan nakasalalay sa pagbawas ng gastos ng kanilang produksyon - kasalukuyang Cl-20 ay isang order ng magnitude na mas mahal kaysa sa HMX, ang octonitrocubane ay isang order ng magnitude na mas mahal kaysa sa ClTwenty.
Bilang karagdagan sa pagpapabuti ng mga kilalang uri ng mga bahagi, isinasagawa din ang pagsasaliksik sa direksyon ng paglikha ng mga polymer compound, ang mga molekula na eksklusibong binubuo ng mga atomo ng nitrogen na konektado ng mga solong bono. Bilang isang resulta ng agnas ng isang polimer compound sa ilalim ng pagkilos ng pag-init, ang nitrogen ay bumubuo ng mga simpleng molekula ng dalawang mga atomo na konektado ng isang triple bond. Ang enerhiya na inilabas sa kasong ito ay dalawang beses ang enerhiya ng nitramine explosives. Sa kauna-unahang pagkakataon, ang mga compound ng nitrogen na may mala-brilyong bubog na kristal ay nakuha ng mga siyentipiko ng Rusya at Aleman noong 2009 sa panahon ng mga eksperimento sa isang pinagsamang pilot plant sa ilalim ng pagkilos ng 1 milyong mga atmospheres at isang temperatura na 1725 ° C. Sa kasalukuyan, isinasagawa ang trabaho upang makamit ang metastable state ng nitrogen polymers sa ordinaryong presyon at temperatura.
Ang mas mataas na nitrogen oxides ay nangangako ng mga sangkap na kemikal na naglalaman ng oxygen. Ang kilalang nitric oxide V (isang patag na Molekyul na binubuo ng dalawang mga atomo ng nitrogen at limang mga atomo ng oxygen) ay walang praktikal na halaga bilang isang bahagi ng solidong gasolina dahil sa mababang lebel ng pagkatunaw nito (32 ° C). Ang mga pagsisiyasat sa direksyong ito ay isinasagawa sa pamamagitan ng paghahanap ng isang pamamaraan para sa pagbubuo ng nitric oxide VI (tetra-nitrogen hexaoxide), ang balangkas na molekula na mayroong hugis ng isang tetrahedron, sa mga vertex na kung saan mayroong apat na mga atomo ng nitrogen na nakabuklod sa anim na atomo ng oxygen na matatagpuan sa mga gilid ng tetrahedron. Ang kumpletong pagsara ng mga interatomic bond sa Molekyul ng nitric oxide VI ay ginagawang posible upang hulaan para sa nadagdagan na katatagan ng thermal, katulad ng urotropin. Ang balanse ng oxygen ng nitric oxide VI (kasama ang 63%) ay ginagawang posible upang makabuluhang taasan ang tiyak na gravity ng naturang mga sangkap na may mataas na enerhiya tulad ng mga metal, metal hydrides, nitramines at hydrocarbon polymers sa solidong rocket fuel.
