Rakettipolttoaine sisältää polttoainetta ja hapetinta, eikä toisin kuin lentopolttoaine, se tarvitse ulkoista komponenttia: ilmaa tai vettä. Rakettipolttoaineet jakautuvat aggregointitilansa mukaan nestemäisiin, kiinteisiin ja hybridi -polttoaineisiin. Nestemäiset polttoaineet on jaettu kryogeenisiin (joiden komponenttien kiehumispiste on alle nolla celsiusastetta) ja korkean kiehumispisteisiin (loput). Kiinteät polttoaineet koostuvat kemiallisesta yhdisteestä, kiinteästä liuoksesta tai pehmitetystä komponenttiseoksesta. Hybridipolttoaineet koostuvat eri aggregaattitilassa olevista komponenteista ja ovat parhaillaan tutkimusvaiheessa.
Historiallisesti ensimmäinen rakettipolttoaine oli mustaa jauhetta, suolapetterin (hapettimen), hiilen (polttoaineen) ja rikin (sideaineen) seosta, jota käytettiin ensimmäisen kerran kiinalaisissa raketteissa 2. vuosisadalla jKr. Aseita, joissa oli kiinteää polttoainetta käyttävä rakettimoottori (kiinteä polttoainerakettimoottori), käytettiin sotilasasioissa sytytys- ja merkinantovälineinä.
Savuttoman jauheen keksimisen jälkeen 1800-luvun lopulla sen pohjalta kehitettiin yksikomponenttinen ballistinen polttoaine, joka koostui kiinteästä nitroselluloosan (polttoaineen) liuoksesta nitroglyseriinissä (hapettava aine). Ballistite -polttoaineella on moninkertainen energiamäärä verrattuna mustaan jauheeseen, sillä on suuri mekaaninen lujuus, se on hyvin muotoiltu, säilyttää kemiallisen vakauden pitkään varastoinnin aikana ja sillä on alhainen hinta. Nämä ominaisuudet määräävät ballistisen polttoaineen laajan käytön massiivisimmissa ammuksissa, jotka on varustettu kiinteillä ponneaineilla - raketit ja kranaatit.
Kahdenkymmenennen vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla sellaisten tieteenalojen kuin kaasun dynamiikka, palamisfysiikka ja suurienergisten yhdisteiden kemia kehittyminen mahdollisti rakettien polttoaineiden koostumuksen laajentamisen käyttämällä nestemäisiä komponentteja. Ensimmäinen taisteluohjus, jossa oli nestemäistä polttoainetta käyttävä rakettimoottori (LPRE) "V -2", käytti kryogeenistä hapetinta - nestemäistä happea ja korkealla kiehuvaa polttoainetta - etyylialkoholia.
Toisen maailmansodan jälkeen rakettiaseita kehitettiin etusijalla muihin aseisiin verrattuna, koska ne kykenivät toimittamaan ydinpommituksia kohteelle millä tahansa etäisyydellä - useista kilometreistä (rakettijärjestelmät) mannertenväliseen etäisyyteen (ballistiset ohjukset). Lisäksi raketti -aseet ovat syrjäyttäneet merkittävästi tykistöaseita ilmailussa, ilmapuolustuksessa, maavoimissa ja laivastossa, koska takaisuvoima puuttuu, kun laukaistaan ammuksia rakettimoottoreilla.
Samanaikaisesti ballistisen ja nestemäisen rakettipolttoaineen kanssa, monikomponenttiset kiinteät polttoaineet, jotka on kehitetty sopivimmaksi sotilaskäyttöön, koska ne toimivat laajasti eri lämpötiloissa, eliminoivat komponenttivuotojen vaaran, pienemmät kustannukset kiinteän polttoaineen rakettimoottoreista, koska putkistot, venttiilit ja pumput, joiden työntövoima on suurempi painoyksikköä kohden.
Rakettien polttoaineiden pääominaisuudet
Rakettien polttoaineille on ominaista komponenttien aggregaatiotilan lisäksi seuraavat indikaattorit:
- erityinen työntövoima;
- lämpövakaus;
- kemiallinen stabiilisuus;
- biologinen myrkyllisyys;
- tiheys;
- savuisuus.
Rakettipolttoaineiden erityinen työntövoima riippuu moottorin polttokammion paineesta ja lämpötilasta sekä palamistuotteiden molekyylikoostumuksesta. Lisäksi ominaisimpulssi riippuu moottorin suuttimen laajentumissuhteesta, mutta tämä liittyy enemmän rakettitekniikan ulkoiseen ympäristöön (ilma- tai ulkoavaruuteen).
Paine lisääntyy käyttämällä lujia rakenteellisia materiaaleja (terässeokset rakettimoottoreihin ja organoplastiset muovit kiinteille ponneaineille). Tässä mielessä nestemäistä polttoainetta käyttävät rakettimoottorit ovat kiinteiden ponneaineiden edellä, koska niiden käyttöyksikkö on kompakti verrattuna kiinteän polttoaineen moottorin runkoon, joka on yksi suuri polttokammio.
Palamistuotteiden korkea lämpötila saavutetaan lisäämällä kiinteään polttoaineeseen metallialumiinia tai kemiallista yhdistettä - alumiinihydridiä. Nestemäiset polttoaineet voivat käyttää tällaisia lisäaineita vain, jos ne on sakeutettu erityisillä lisäaineilla. Nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettimoottoreiden lämpösuojaus saadaan jäähdytyksellä polttoaineella, kiinteiden ponneaineiden lämpösuojalla-kiinnittämällä polttoainelohko tiukasti moottorin seiniin ja käyttämällä hiili-hiili-komposiitista valmistettuja palamiskappaleita kriittisessä osassa suutin.
Polttoaineen palamis- / hajoamistuotteiden molekyylikoostumus vaikuttaa virtausnopeuteen ja niiden aggregaatiotilaan suuttimen ulostulossa. Mitä pienempi molekyylien paino, sitä suurempi virtausnopeus: edullisimmat palamistuotteet ovat vesimolekyylejä, joita seuraa typpi, hiilidioksidi, kloorioksidit ja muut halogeenit; vähiten edullinen on alumiinioksidi, joka tiivistyy kiinteäksi aineeksi moottorin suuttimessa, mikä vähentää paisuvien kaasujen määrää. Lisäksi alumiinioksidifraktio pakottaa kartiomaisten suuttimien käytön tehokkaimpien parabolisten Laval -suuttimien hankaavan kulumisen vuoksi.
Sotilasrakettien polttoaineilla niiden lämpövakaus on erityisen tärkeä rakettitekniikan laajan lämpötila -alueen vuoksi. Siksi kryogeenisiä nestemäisiä polttoaineita (happi + kerosiini ja happi + vety) käytettiin vain mannertenvälisten ballististen ohjusten (R-7 ja Titan) kehittämisen alkuvaiheessa sekä uudelleenkäytettävien avaruusalusten kantoraketteihin (Space Shuttle ja Energia) tarkoitettu satelliittien ja avaruusaseiden laukaisemiseen matalan maan kiertoradalle.
Tällä hetkellä armeija käyttää yksinomaan korkealla kiehuvaa nestemäistä polttoainetta, joka perustuu typpitetroksidiin (AT, hapetin) ja epäsymmetriseen dimetyylihydratsiiniin (UDMH, polttoaine). Tämän polttoaineparin lämpövakaus määräytyy AT: n kiehumispisteen (+ 21 ° C) mukaan, mikä rajoittaa tämän polttoaineen käyttöä ohjuksissa ICBM- ja SLBM -ohjussiilojen termostaatissa. Komponenttien aggressiivisuuden vuoksi niiden tuotantotekniikka ja ohjusäiliöiden käyttö omisti / omistaa vain yksi maa maailmassa - Neuvostoliitto / RF (ICBMs "Voevoda" ja "Sarmat", SLBM "Sineva" ja " Liner "). Poikkeuksena AT + NDMG: tä käytetään polttoaineena Kh-22 Tempest -lentokoneiden risteilyohjuksissa, mutta maankäytön ongelmien vuoksi Kh-22 ja niiden seuraavan sukupolven Kh-32 on tarkoitus korvata suihkukoneilla Zirkon -risteilyohjukset, joissa polttoaineena käytetään kerosiinia.
Kiinteiden polttoaineiden lämpöstabiilisuus määräytyy pääasiassa liuottimen ja polymeerisideaineen vastaavien ominaisuuksien perusteella. Ballistite -polttoaineiden koostumuksessa liuotin on nitroglyseriini, jonka kiinteässä liuoksessa nitroselluloosan kanssa lämpötila -alue on miinus -plus 50 ° C. Sekoitetuissa polttoaineissa polymeerisideaineena käytetään erilaisia synteettisiä kumia, joilla on sama käyttölämpötila -alue. Kuitenkin kiinteiden polttoaineiden pääkomponenttien (ammoniumdinitramidi + 97 ° C, alumiinihydridi + 105 ° C, nitroselluloosa + 160 ° C, ammoniumperkloraatti ja HMX + 200 ° C) lämpövakaus ylittää merkittävästi tunnettujen sideaineiden samankaltaisen ominaisuuden, ja siksi on tärkeää etsiä heidän uusia sävellyksiään.
Kemiallisesti vakain polttoainepari on AT + UDMG, koska sitä varten on kehitetty ainutlaatuinen kotimainen tekniikka ampulloituun varastointiin alumiinisäiliöissä lievässä typpipaineessa lähes rajoittamattoman ajan. Kaikki kiinteät polttoaineet hajoavat kemiallisesti ajan myötä polymeerien ja niiden teknologisten liuottimien spontaanin hajoamisen vuoksi, minkä jälkeen oligomeerit alkavat kemiallisiin reaktioihin muiden, vakaampien polttoaineosien kanssa. Siksi kiinteiden ponneaineiden tarkistimet on vaihdettava säännöllisesti.
Rakettipolttoaineiden biologisesti myrkyllinen komponentti on UDMH, joka vaikuttaa keskushermostoon, silmien limakalvoihin ja ihmisen ruoansulatuskanavaan ja aiheuttaa syöpää. Tältä osin työtä UDMH: n kanssa suoritetaan eristettäessä kemiallisia suojapukuja käyttämällä itsenäistä hengityslaitetta.
Polttoaineen tiheyden arvo vaikuttaa suoraan LPRE -polttoainesäiliöiden ja kiinteän polttoaineen raketin rungon massaan: mitä suurempi tiheys, sitä pienempi raketin loismassa. Pienin vety + happipolttoaineparin tiheys on 0,34 g / cu. cm, parin kerosiini + happea tiheys on 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitroselluloosa + nitroglyseriini - 1,62 g / cu. cm, alumiini / alumiinihydridi + perkloraatti / ammoniumdinitramidi - 1,7 g / cm3, HMX + ammoniumperkloraatti - 1,9 g / cm3. Tässä tapauksessa on pidettävä mielessä, että aksiaalipolttoaineen kiinteän ponnekaasun rakettimoottori, polttoainevarauksen tiheys on noin kaksi kertaa pienempi kuin polttoaineen tiheys käytetyn polttokanavan tähden muotoisen osan vuoksi ylläpitää tasaista painetta polttokammiossa polttoaineen palamisasteesta riippumatta. Sama koskee ballistisia polttoaineita, jotka on muodostettu vyö- tai sauvasarjana lyhentääkseen rakettien ja rakettien palamisaikaa ja kiihtymismatkaa. Päinvastoin kuin he, polttoainevarauksen tiheys kiinteän polttoaineen raketti- moottoreissa, jotka perustuvat HMX -pohjaisiin polttoaineisiin, on sama kuin sille ilmoitettu enimmäistiheys.
Rakettien polttoaineiden pääominaisuuksista viimeinen on palamistuotteiden savu, joka paljastaa visuaalisesti rakettien ja rakettien lennon. Tämä ominaisuus on luontainen alumiinia sisältäville kiinteille polttoaineille, joiden oksidit kondensoituvat kiinteään tilaan rakettimoottorin suuttimen laajentuessa. Siksi näitä polttoaineita käytetään ballististen ohjusten kiinteissä ponneaineissa, joiden liikerata on vihollisen näköyhteyden ulkopuolella. Lentokoneohjuksia poltetaan HMX- ja ammoniumperkloraattipolttoaineella, raketteilla, kranaateilla ja panssarintorjunta -ohjuksilla - ballistisella polttoaineella.
Rakettien polttoaineiden energia
Eri tyyppisten rakettipolttoaineiden energiaominaisuuksien vertaamiseksi on tarpeen asettaa heille vastaavat palamisolosuhteet palamiskammion paineen ja rakettimoottorin suuttimen paisuntasuhteen muodossa - esimerkiksi 150 ilmakehää ja 300 -kertainen laajentuminen. Tällöin polttoainepareille / kolmosille ominainen impulssi on:
happi + vety - 4,4 km / s;
happi + kerosiini - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammoniumdinitramidi + vetyhydridi + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperkloraatti + alumiini + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperkloraatti + HMX - 2,9 km / s;
nitroselluloosa + nitroglyseriini - 2,5 km / s.
Ammoniumdinitramidiin perustuva kiinteä polttoaine on kotimainen kehitys 1980-luvun lopulla, sitä käytettiin polttoaineena RT-23 UTTKh- ja R-39-ohjusten toisessa ja kolmannessa vaiheessa eikä sitä ole vielä energiaominaisuuksiltaan ylitetty parhailla näytteillä. Minuteman-3- ja Trident-2-ohjuksissa käytetty ammoniumperkloraattiin perustuva vieras polttoaine. Ammoniumdinitramidi on räjähdysaine, joka räjähtää jopa valonsäteilystä; siksi sen tuotanto tapahtuu pienitehoisilla punaisilla lampuilla valaistuissa huoneissa. Tekniset vaikeudet eivät mahdollistaneet rakettipolttoaineen valmistusprosessin hallitsemista sen perusteella missään päin maailmaa paitsi Neuvostoliitossa. Toinen asia on se, että Neuvostoliiton teknologiaa otettiin rutiininomaisesti käyttöön vain Pavlogradin kemiantehtaalla, joka sijaitsee Ukrainan Neuvostoliiton Dnepropetrovskin alueella, ja se katosi 1990 -luvulla sen jälkeen, kun tehdas muutettiin kotitalouskemikaalien valmistukseen. Kuitenkin RS-26 "Rubezh" -tyyppisten lupaavien aseiden taktisten ja teknisten ominaisuuksien perusteella tekniikka palautettiin Venäjällä 2010-luvulla.
Esimerkki erittäin tehokkaasta koostumuksesta on kiinteän rakettipolttoaineen koostumus venäläisestä patentista nro 2241693, jonka omistaa Federal State Unitary Enterprise Perm Plant. CM. Kirov :
hapettava aine - ammoniumdinitramidi, 58%;
polttoaine - alumiinihydridi, 27%;
pehmite - nitroisobutyylitrinitraattiglyseriini, 11, 25%;
sideaine - polybutadieeninitriilikumi, 2, 25%;
kovete - rikki, 1,49%;
palamisen vakaaja - erittäin hieno alumiini, 0,01%;
lisäaineet - hiilimusta, lesitiini jne.
Näkymät rakettipolttoaineiden kehittämiselle
Pääasialliset suunnat nestemäisten rakettipolttoaineiden kehittämiselle ovat (täytäntöönpanon tärkeysjärjestyksessä):
- ylikuumennetun hapen käyttö hapettimen tiheyden lisäämiseksi;
- siirtyminen polttoainehöyryyn happi + metaani, jonka palavassa komponentissa on 15% enemmän energiaa ja 6 kertaa parempi lämpökapasiteetti kuin kerosiinissa, kun otetaan huomioon se tosiasia, että alumiinisäiliöt kovetetaan nestemäisen metaanin lämpötilassa;
- lisätään otsonia happikoostumukseen 24%: lla hapettimen kiehumispisteen ja energian lisäämiseksi (suuri osa otsonista on räjähtävää);
- tiksotrooppisen (sakeutetun) polttoaineen käyttö, jonka komponentit sisältävät pentaboraanin, pentafluoridin, metallien tai niiden hydridien suspensioita.
Ylijäähdytettyä happea käytetään jo Falcon 9 -kantorakettissa; happea + metaanikäyttöisiä rakettimoottoreita kehitetään Venäjällä ja Yhdysvalloissa.
Pääsuunta kiinteiden rakettipolttoaineiden kehittämisessä on siirtyminen aktiivisiin sideaineisiin, jotka sisältävät molekyyleissään happea, mikä parantaa kiinteiden ponneaineiden hapettumistasapainoa kokonaisuutena. Moderni kotimainen näyte tällaisesta sideaineesta on polymeerikoostumus "Nika-M", joka sisältää syklisiä ryhmiä dinitriilidioksidia ja butyleenidiolipolyeetteriretaania, jonka on kehittänyt valtion tutkimuslaitos "Kristall" (Dzerzhinsk).
Toinen lupaava suunta on käytettyjen nitramiiniräjähteiden valikoiman laajentaminen, sillä niiden happitasapaino on korkeampi kuin HMX (miinus 22%). Ensinnäkin nämä ovat heksaanitroheksaaa-isowurtzitaani (Cl-20, happitasapaino miinus 10%) ja oktanitrokubaani (happitase nolla), joiden näkymät riippuvat niiden tuotantokustannusten alentamisesta-tällä hetkellä Cl-20 on suuruusluokkaa kalliimpi kuin HMX, oktonitrokubaani on suuruusluokkaa kalliimpi kuin Cl -kaksikymmentä.
Tunnettujen komponenttityyppien parantamisen lisäksi tutkitaan myös polymeeriyhdisteiden luomista, joiden molekyylit koostuvat yksinomaan yksittäisistä sidoksista yhdistetyistä typpiatomeista. Polymeeriyhdisteen hajoamisen seurauksena lämmön vaikutuksesta typpi muodostaa yksinkertaisia kahden atomin molekyylejä, jotka on kytketty kolmoissidoksella. Tässä tapauksessa vapautunut energia on kaksinkertainen nitramiiniräjähteiden energiaan nähden. Venäläiset ja saksalaiset tiedemiehet saivat ensimmäistä kertaa typpiyhdisteitä, joissa oli timanttimainen kidehila, vuonna 2009, kun he kokeilivat yhteistä koelaitosta miljoonan ilmakehän paineen ja 1725 ° C: n lämpötilan vaikutuksesta. Tällä hetkellä työn alla on typpipolymeerien metastabiilisen tilan saavuttaminen normaalissa paineessa ja lämpötilassa.
Korkeammat typpioksidit ovat lupaavia happea sisältäviä kemiallisia yhdisteitä. Tunnetulla typpioksidilla V (litteä molekyyli, joka koostuu kahdesta typpiatomista ja viidestä happiatomista) ei ole käytännöllistä arvoa kiinteän polttoaineen osana sen alhaisen sulamispisteen (32 ° C) vuoksi. Tähän suuntaan tehtävät tutkimukset suoritetaan etsimällä menetelmä typpioksidin VI (tetra-typpiheksaoksidi) synteesille, jonka runkomolekyyli on tetraedrin muotoinen ja jonka kärjissä on neljä typpiatomia kuusi happiatomia, jotka sijaitsevat tetraedrin reunoilla. Täydellinen atomien välisten sidosten sulkeminen typpioksidin VI molekyylissä mahdollistaa sen ennustavan lisääntynyttä lämpöstabiilisuutta, joka on samanlainen kuin urotropiinin. Typpioksidin VI happitasapaino (plus 63%) mahdollistaa kiinteiden rakettien polttoaineessa merkittävästi sellaisten suurienergisten komponenttien kuin metallien, metallihydridien, nitramiinien ja hiilivetypolymeerien ominaispainon lisäämisen.
