Секретное горючее: Пища богов. Как работают ракетные двигатели

Недавно случившаяся авария ракеты« Днепр», космического носителя, переделанного из военной ракеты Р-36М УТТХ, снова вызвала интерес к ракетному топливу.

V-2 («Фау-2») легла в основу всей послевоенной ракетной техники, и американской, и советской

Запуск 900 ракет «Фау-2» требовал 12 тыс. т жидкого кислорода, 4 тыс. тонн этилового спирта, 2 тыс. т метанола, 500 т перекиси водорода и 1,5 тыс. т взрывчатки

Вместо спирта, который наряду с жидким кислородом использовал Вернер фон Браун, Королев для своих первых ракет выбрал керосин

Ни бензин, не керосин, ни дизельное топливо не воспламеняются сами при взаимодействии с кислотой, а для военных ракет самовоспламенение — одно из ключевых требований к топливу

Ракета S-4B, третья ступень еще одного детища Вернера фон Брауна — самой мощной американской ракеты-носителя Saturn V. В активе последней — 13 успешных запусков (с 1967 по 1973 год). Именно с ее помощью человек ступил на Луну

Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) — очень совершенные машины, и их характеристики на 90%, а то и больше, определяются примененным топливом. Эффективность же топлива зависит от состава и запасенной энергии. Идеальное топливо должно состоять из легких элементов — из самого начала таблицы Менделеева, дающих максимальную энергию при окислении. Но это не все требования к топливу — еще оно должно быть совместимым с конструкционными материалами, стабильным при хранении и по возможности недорогим. Но ракета — это не только двигатель, но еще и баки ограниченного объема: чтобы взять на борт больше топлива, его плотность должна быть повыше. Кроме топлива ракета везет с собой и окислитель.

Идеальный окислитель с точки зрения химии — жидкий кислород. Но одной химией ракета не исчерпывается, это конструкция, в которой все взаимоувязано. Вернер фон Браун выбрал для Фау-2 спирт и жидкий кислород, и дальность ракеты получилась 270 км. Но если бы ее двигатель работал на азотной кислоте и дизельном топливе, то дальность увеличилась бы на четверть, потому что такого топлива в те же баки помещается на две тонны больше!

Ракетное топливо — кладовая химической энергии в компактном виде. Топливо тем лучше, чем больше энергии запасает. Поэтому вещества, хорошие для ракетного топлива, всегда чрезвычайно химически активны, непрерывно пытаются высвободить скрытую энергию, разъедая, сжигая и разрушая все вокруг. Все ракетные окислители либо взрывоопасны, либо ядовиты, либо нестойки. Жидкий кислород — единственное исключение, и то только потому, что природа приучилась к 20% свободного кислорода в атмосфере. Но даже жидкий кислород требует уважения.

Хранить вечно

Баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, созданные под руководством Сергея Королева, не только показали перспективность этого вида оружия, но и дали понять, что жидкий кислород не очень подходит для боевых ракет. Несмотря на то, что Р-5М была первой ракетой с ядерной боеголовкой, а в 1955 году даже было произведено реальное испытание с подрывом ядерного заряда, военных не устраивало, что ракету нужно заправлять непосредственно перед стартом. Требовалась замена жидкому кислороду, замена полноценная, такая, чтоб и в сибирские морозы не замерзала, и в каракумскую жару не выкипала: то есть с диапазоном температур от -55 градусов до +55 градусов Цельсия. Правда, с кипением в баках проблем не ожидалось, так как давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения больше. Но кислород ни при каком давлении не будет жидким при температуре выше критической, то есть -113 градусов Цельсия. А таких морозов даже в Антарктиде не бывает.

Азотная кислота HNO3 — другой очевидный окислитель для ЖРД, и ее использование в ракетной технике шло параллельно с жидким кислородом. Соли азотной кислоты — нитраты, особенно калийная селитра — уже много веков использовались как окислитель самого первого ракетного топлива — черного пороха.

Молекула азотной кислоты содержит как балласт лишь один атом азота да «половинку» молекулы воды, а два с половиной атома кислорода могут быть использованы для окисления горючего. Но азотная кислота — очень «хитрое» вещество, настолько странное, что непрерывно реагирует само с собой — атомы водорода от одной молекулы кислоты отщепляются и прицепляются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Из-за этого в азотной кислоте обязательно образуются разного рода примеси.

Кроме того, азотная кислота очевидно не удовлетворяет требованиям совместимости с конструкционными материалами — под нее специально приходится подбирать металл для баков, труб, камер ЖРД. Тем не менее «азотка» стала популярным окислителем еще в 1930-е годы — она дешева, производится в больших количествах, достаточно стабильна, чтобы ею можно было охлаждать камеру двигателя, пожаро- и взрывобезопасна. Плотность ее заметно больше, чем у жидкого кислорода, но главное ее достоинство по сравнению с жидким кислородом состоит в том, что она не выкипает, не требует теплоизоляции, может неограниченно долго храниться в подходящей таре. Только где ее взять, подходящую тару?

Все 1930-е и 1940-е годы прошли под знаменем поиска подходящих емкостей для азотной кислоты. Но даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушались концентрированной азоткой, в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов, который, конечно же, нельзя подавать в ракетный двигатель — он мгновенно забьется и взорвется.

Для уменьшения коррозионной активности азотной кислоты в нее стали добавлять различные вещества, пытаясь, зачастую методом проб и ошибок, найти комбинацию, которая бы, с одной стороны, не испортила окислитель, с другой — сделала его более удобным в использовании. Но удачная добавка была найдена только в конце 1950-х американскими химиками — оказалось, что всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз! Советские химики задержались с этим открытием лет на десять-пятнадцать.

Секретные присадки

Тем не менее первый в СССР ракетный самолет-перехватчик БИ-1 использовал именно азотную кислоту и керосин. Баки и трубы пришлось делать из монель-металла — сплава никеля и меди. Этот сплав получался «естественным» образом из некоторых полиметаллических руд, поэтому был популярным конструкционным материалом второй трети ХХ века. О его внешнем виде можно судить по металлическим рублям — они сделаны из почти «ракетного» сплава. Во время войны не хватало, однако, не только меди с никелем, но и нержавеющей стали. Приходилось использовать обычную, покрытую для защиты хромом. Но тонкий слой быстро проедался кислотой, поэтому после каждого запуска двигателя остатки топливной смеси приходилось скребками удалять из камеры сгорания — техники поневоле вдыхали ядовитые испарения. Один из пионеров ракетной техники Борис Черток однажды едва не погиб при взрыве двигателя для БИ-1 на стенде, этот эпизод он описал в своей замечательной книге «Ракеты и люди».

Помимо добавок, снижающих агрессивность азотной кислоты, в нее пытались добавлять разные вещества, чтобы повысить ее эффективность как окислителя. Наиболее результативным веществом была двуокись азота, еще одно «странное» соединение. Обычно — газ бурого цвета, с резким неприятным запахом, но стоит его слегка охладить, он сжижается и две молекулы двуокиси склеиваются в одну. Поэтому соединение часто называют четырехокисью азота, или азотным тетраоксидом — АТ. При атмосферном давлении АТ кипит при комнатной температуре (+21 градус), а при -11 градусах замерзает. Чем ближе к точке замерзания, тем бледнее цвет соединения, становящегося под конец бледно-желтым, а в твердом состоянии — почти бесцветным. Это оттого, что газ состоит в основном из молекул NO2, жидкость — из смеси NO2 и димеров N2O4, а в твердом веществе остаются одни только бесцветные димеры.

Добавка АТ в азотную кислоту увеличивает эффективность окислителя сразу по многим причинам — АТ содержит меньше «балласта», связывает попадающую в окислитель воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты. Самое интересное, что с растворением АТ в АК плотность раствора сначала растет и достигает максимума при 14% растворенного АТ. Именно этот вариант состава и выбрали американские ракетчики для своих боевых ракет. Наши же стремились повысить характеристики двигателей любой ценой, поэтому в окислителях АК-20 и АК-27 было по 20% и 27% соответственно растворенного азотного тетраоксида. Первый окислитель использовался в зенитных ракетах, а второй — в баллистических. КБ Янгеля создало ракету средней дальности Р-12, которая использовала АК-27 и специальный сорт керосина ТМ-185.

Зажигалки

Параллельно поискам лучшего окислителя шли поиски оптимального горючего. Военных больше всего устраивал бы продукт перегонки нефти, но и другие вещества, если они производились в достаточных количествах и стоили недорого, тоже можно было использовать. Проблема была одна — ни бензин, ни керосин, ни дизельное топливо не воспламеняются сами при контакте с азотной кислотой, а для военных ракет самовоспламенение — одно из ключевых требований к топливу. Хотя наша первая межконтинентальная ракета Р-7 использовала пару «керосин — жидкий кислород», стало ясно, что пиротехническое зажигание неудобно для боевых ракет. При подготовке ракеты к пуску требовалось вручную вставить в каждое сопло (а их у Р-7 ни много ни мало 32−20 основных камер и 12 рулевых) деревянную крестовину с зажигательной шашкой, подключить все электропровода, которыми шашки воспламеняются, и проделать еще много разных подготовительных операций.

В Р-12 эти недостатки были учтены, и зажигание обеспечивалось пусковым горючим, которое самовоспламенялось при контакте с азотной кислотой. Его состав был найден еще немецкими ракетчиками во время Второй мировой войны, и называлось оно «Тонка-250». Наши ракетчики переименовали его в соответствии с ГОСТами в ТГ-02. Теперь ракета могла стоять заправленной несколько недель, и это был большой успех, так как ее можно было бы запустить в течение пары часов вместо трех суток для Р-7. Но три компонента — много для боевой ракеты, а для использования в качестве основного горючего ТГ-02 годился только для зенитных ракет; для баллистических ракет дальнего действия нужно было что-то более эффективное.

Гиперголики

Химики назвали пары веществ, самовоспламеняющихся при контакте, «гиперголическими», то есть, в приблизительном переводе с греческого, имеющими чрезмерное сродство друг с другом. Они знали, что лучше всего воспламеняются с азотной кислотой вещества, имеющие в составе, кроме углерода и водорода, азот. Но «лучше» — это насколько?

Задержка самовоспламенения — ключевое свойство для пар химических веществ, которые мы хотим сжечь в ракетном двигателе. Представьте — включили подачу, горючее и окислитель накапливаются в камере, а воспламенения нет! Зато, когда оно наконец происходит, мощный взрыв разносит камеру ЖРД на кусочки. Для определения задержки самовоспламенения разные исследователи строили самые разные по сложности стенды — от двух пипеток, синхронно выдавливающих по капельке окислителя и горючего, до маленьких ракетных двигателей без сопла — форсуночная головка и короткая цилиндрическая труба. Все равно взрывы раздавались очень часто, действуя на нервы, выбивая стекла и повреждая датчики.

Очень быстро был обнаружен «идеальный гиперголь» — гидразин, старый знакомый химиков. Это вещество, имеющее формулу N2H4, по физическим свойствам очень похоже на воду — плотность на несколько процентов больше, температура замерзания +1,5 градуса, кипения +113 градусов, вязкость и все прочее — как у воды, но вот запах…

Гидразин был получен впервые в чистом виде в конце XIX века, а в составе ракетного топлива впервые употреблен немцами в 1933 году, но в качестве сравнительно небольшой добавки для самовоспламенения. Как самостоятельное горючее гидразин был дорог, производство его недостаточно, но, главное, военных не устраивала его температура замерзания — выше, чем у воды! Нужен был «гидразиновый антифриз», и его поиски шли непрерывно. Уж очень гидразин хорош! Вернер фон Браун для запуска первого спутника США «Эксплорер» заменил спирт в ракете «Редстоун» на «гидин» (Hydyne), смесь 60% гидразина и 40% спирта. Такое горючее улучшило энергетику первой ступени, но для достижения необходимых характеристик пришлось удлинить баки.

Гидразин, как и аммиак NH3, состоит только из азота и водорода. Но если при образовании аммиака из элементов энергия выделяется, то при образовании гидразина энергия поглощается — именно поэтому прямой синтез гидразина невозможен. Зато поглощенная при образовании энергия выделится потом при сгорании гидразина в ЖРД и пойдет на повышение удельного импульса — главного показателя совершенства двигателя. Пара кислород-керосин позволяет получить удельную тягу для двигателей первой ступени в районе 300 секунд. Замена жидкого кислорода на азотную кислоту ухудшает эту величину до 220 секунд. Такое ухудшение требует увеличения стартовой массы почти в два раза. Если же заменить керосин гидразином, большую часть этого ухудшения можно «отыграть». Но военным было нужно, чтобы горючее не замерзало, и они требовали альтернативу.

Пути разошлись

И тут пути наших и американских химиков разошлись! В СССР химики придумали способ получения несимметричного диметилгидразина, а американцы предпочли более простой процесс, в котором получался монометилгидразин. Обе эти жидкости, несмотря на их чрезвычайную ядовитость, устраивали и конструкторов, и военных. К аккуратности при обращении с опасными веществами ракетчикам было не привыкать, но все же новые вещества были настолько токсичными, что обычный противогаз не справлялся с очисткой воздуха от их паров! Нужно было либо использовать изолирующий противогаз, либо специальный патрон, который окислял токсичные пары до безопасного состояния. Зато метилированные производные гидразина были менее взрывоопасными, меньше впитывали водяные пары, были термически более стойкими. Но вот температура кипения и плотность по сравнению с гидразином понизились.

Поэтому поиски продолжались. Американцы одно время очень широко использовали «Аэрозин-50» — смесь гидразина и НДМГ, что было следствием изобретения технологического процесса, в котором они получались одновременно. Позднее этот способ был вытеснен более совершенными, но «Аэрозин-50» успел распространиться, и на нем летали и баллистические ракеты «Титан-2», и корабль «Аполлон». Ракета «Сатурн-5» разгоняла его к Луне на жидком водороде и кислороде, но собственный двигатель «Аполлона», которому нужно было включаться несколько раз в течение недельного полета, должен был использовать самовоспламеняющееся долгохранимое топливо.

Тепличные условия

Но дальше с баллистическими ракетами произошла удивительная метаморфоза — они спрятались в шахты, для защиты от первого удара противника. При этом уже не требовалось морозостойкости, так как в шахте воздух подогревался зимой и охлаждался летом! Топливо можно было подбирать, не учитывая его морозоустойчивости. И сразу же двигателисты отказались от азотной кислоты, перейдя на чистый азотный тетраоксид. Тот самый, что кипит при комнатной температуре! Ведь давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения нас беспокоит гораздо меньше. Зато теперь коррозия баков и трубопроводов уменьшилась настолько, что стало возможным хранить ракету заправленной на протяжении всего срока боевого дежурства! Первой ракетой, которая могла стоять заправленной 10 лет подряд, стала УР-100 конструкции КБ Челомея. Почти одновременно с ней появилась гораздо более тяжелая Р-36 фирмы Янгеля. Нынешний ее потомок, последняя модификация Р-36М2, кроме баков, мало имеет общего с первоначальной ракетой.

По энергетическим характеристикам пары «кислород — керосин» и «четырехокись азота — НДМГ» очень близки. Но первая пара хороша для космических ракет-носителей, а вторая — для МБР шахтного базирования. Для работы с такими ядовитыми веществами была разработана специальная технология — ампулизация ракеты после заправки. Смысл ее понятен из названия: все магистрали перекрываются необратимо, чтобы избежать даже малейших утечек. Впервые она была применена на ракетах для подводных лодок, которые тоже использовали такое топливо.

Твердое топливо

Американские же ракетчики для боевых ракет предпочли твердое топливо. Оно имело несколько худшие характеристики, зато ракета требовала гораздо меньше подготовительных операций при запуске. Наши тоже пытались использовать твердотопливные ракеты, но последнюю ступень все равно приходилось делать жидкостной, для того чтобы скомпенсировать разброс работы твердотопливных двигателей, которые невозможно регулировать так, как жидкостные. А позднее, когда появились ракеты с несколькими боеголовками, на последнюю жидкостную ступень легла задача «разведения» их по целям. Так что пара «АТ-НДМГ» без работы не осталась. Не остается и сейчас: на этом топливе работают двигатели космического корабля «Союз», Международной космической станции и многих других аппаратов.

На сегодняшний день ракеты различных классов стали одним из основных вооружений самых различных классов, включая собственный род войск – ракетные войска стратегического назначения, и единственным способом вывода полезной нагрузки и человечества в космическое пространство.

Одним из наиболее сложных элементов ракет был и остается ракетный двигатель. Появившись более двух тысяч лет назад, ракеты и двигатели, к сегодняшнему дню, эволюционировали, достигнув совершенства, а касательно двигателей, можно сказать, что и теоретического предела.

Жидкостный ракетный двигатель РД-0124

Исторически, первые ракеты использовали простейший пороховой двигатель. В современной терминологии – ракетный двигатель на твёрдом топливе (РДТТ). В течение своего развития такие двигатели получили новые топлива, корпуса из новых материалов, управляемые сопла различных конфигураций, сохранив при этом простоту конструкции и высокую надежность, что предопределило широкое применение этого типа двигателей в технике военного назначения. Основное же достоинство таких двигателей – это постоянная готовность к применению и минимизация операций и времени предстартовой подготовки. При этом, приходится мириться с такими недостатками РДТТ, как сложность организации выключения двигателя, многократность включения и управление тягой.

Основные параметры РДТТ определяются применяемым в нем топливом, возможностью управления вектором тяги, а также конструкцией корпуса. Также, стоит заметить, что рассмотрение твердотопливных двигателей в отрыве от ракет бессмысленно, потому как камера сгорания двигателя, является одновременно и топливным баком и включена в конструкцию ракеты.

Если говорить о сравнении РДТТ отечественных и западных, то тут стоит отметить, что на западе применяются твердые смесевые топлива с более высокой энергетикой, что позволяет создавать двигатели с большим удельным импульсом. В частности, повышается отношение максимальной развиваемой двигателем к массе топлива. Это позволяет снизить стартовые массы ракет. Особенно это заметно при рассмотрении характеристик баллистических ракет.

Первые боевые МБР с РДТТ появились в США в 60-х годах («Поларис» и «Минитмэн»), в СССР же только в 80-х («Тополь» и Р-39).

Поскольку, в таких ракетах основную стартовую массу составляет запас топлива, то сравнивая их и дальности пуска можно судить о эффективности примененных РДТТ.

Для современной американской МБР «Минитмэн-3» стартовая масса и дальность пуска составляют 35400 кг и 11000-13000 км. Для Российской ракеты РС-24 «Ярс» – 46500 – 47200 кг и 11000 км. При забрасываемой массе для обеих ракет в районе 1200 кг, явное преимущество по силовой установке имеет американская ракета. Также, в более лёгких классах РДТТ, включая авиационные ракеты, американцы чаще применяют управление вектором тяги используя отклоняемое сопло. У нас же – это интерцепторы в газовой струе. Последние, снижают КПД двигателя на 5%, отклоняемое сопло – на 2-3%.

С другой стороны, российскими химиками разработана сухая смесь для РДТТ, остатки которой могут быть подорваны. Двигатель с таким топливом применен в ПЗРК «Игла-С», где этот эффект используется для усиления воздействия БЧ. При этом, её американский аналог “Stinger” за счет быстрейшего выгорания топлива развивает большую скорость на активном участке полёта, длительность которого значительно меньше.

Еще одно военное применение РДТТ – в качестве двигателей мягкой посадки на десантируемых платформах. В настоящее время только в России продолжают развиваться десантируемые платформы, обеспечивающие выброску бронетехники с экипажами. Одной из особенностей таких систем является применение тормозных РДТТ. Технология эта позаимствована из космической отрасли, где подобные двигатели применяются для мягкой посадки спускаемых аппаратов.

В мирном космосе РДТТ получили распространение в качестве силовых установок верхних ступеней ракетоносителей и стартовых ускорителей, разгонных блоков космических аппаратов, а также двигателях мягкой посадки. На сегодняшний день одни из мощнейших РДТТ стартовых ускорителей созданы для европейского РН «Ариан».

Также, на западе РДТТ получили распространение в качестве силовых установок РН лёгкого класса, таких как европейская «Вега».

У России сохраняется приоритет в строительстве спускаемых космических аппаратов, оснащенных РДТТ мягкой посадки. На сегодняшний день, спускаемый аппарат корабля «Союз».

РДТТ применяются и для спасения экипажей космических кораблей до старта. Катапультные кресла в авиации, также. Снабжаются РДТТ, и лучшим на сегодняшний день во всем мире признан российский комплекс спасения с креслом К-36.

А вот на разгонных блоках космических аппаратов РДТТ применяются только в США и Европе. Применение же РДТТ в верхних ступенях ракетоносителей гражданского назначения в России характерно для конверсионных РН, созданных на базе МБР.

Стоит, также указать, что NASA отработала технологию многоразовых ТРДД, которые после выгорания топлива можно было заправить и использовать повторно. Речь идёт о стартовых ускорителях космического челнока, и, хотя, эта возможность никогда не использовалась, само её существование говорит о богатом накопленном опыте конструирования и эксплуатации мощных ТРДД. Отставание России в области создания РДТТ большой тяги для космических аппаратов, причиной чего, в основном, является отсутствие наработок в области высокоэнергетического твердого топлива, вызвано историческим упором на ЖРД, как более мощные и обеспечивающие большую топливную эффективность. Так, до сих пор для отечественных твердых и смесевых топлив срок гарантийного хранения составляет 10-15 лет, в то время как в США достигнуты сроки хранения ракет с РДТТ в 15-25 лет. В области же микро- и мини- РДТТ для применения в системах различного военного и гражданского назначения Россия вполне может конкурировать с мировыми образцами, а в некоторых сферах применения обладает уникальными технологиями.

В части же технологий изготовления корпусов, на сегодняшний момент, нельзя выделить чьего-либо однозначного приоритета. Различные методы применяются в зависимости от того, с какой ракетой предстоит увязывать создаваемый РДТТ. Стоит, только указать на то, что в связи с большей энергетикой американских смесевых топлив, корпуса двигателей рассчитаны на более высокую температуру горения.

Появившиеся гораздо позже, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) за более короткий срок своего существования достигли максимально возможного технического совершенства. Возможность многократного включения и плавного регулирования тяги определили применение таких двигателей в космических ракетоносителях и аппаратах. Значительные наработки в области создания двигателей для боевых комплексов были достигнуты в СССР. В частности, ракеты с ЖРД до сих пор стоят на дежурстве в составе РВСН, не смотря на присущие данному типу недостатки. К недостаткам относится, прежде всего, сложность хранения и эксплуатации заправленной ракеты, сложность самой заправки. Тем не менее, советским инженерам удалось создать технологии ампулирования топливных баков, обеспечивающие сохранение высококипящих компонентов топлива в них сроком до 25 лет, в результате чего были созданы самые мощные МБР в мире. Сегодня же, по мере вывода их с боевого дежурства эти МБР применяются для запуска в космическое пространство полезной нагрузки, в том числе, и мирного назначения. По этому рассмотрим их вместе с другими гражданскими РН.

Современные ЖРД можно разделить на несколько классов по различным критериям. Среди них – способ подачи топлива в камеру сгорания (турбонасосный закрытого и открытого типа, вытеснительный), количество камер сгорания двигателя (одно- и многокамерные), и самое главное, компоненты топлива.

Следует сказать, что выбор топлива для двигателя есть вводная для создания двигателя, так как в большей степени тип топлива и окислителя определяется конструкцией и параметрами ракеты.

Так как большинство современных ракет с ЖРД применяются исключительно для выведения космических аппаратов, есть возможность проведения длительных предстартовых подготовок. Это дает возможность использовать в них низкокипящие компоненты топлива – то есть такие, температура кипения которых значительно ниже нуля. К таковым относится, в первую очередь, используемый в качестве окислителя жидкий кислород и, в качестве топлива, жидкий водород. Самым мощным кислород-водородным двигателем остается американский двигатель RS-25, созданный по программе многоразового транспортного космического корабля. То есть, кроме того, что это самый мощный двигатель на указанных компонентах топлива, его ресурс составляет 55 полётных циклов (с обязательной переборкой после каждого полёта). Двигатель построен по схеме с дожиганием генераторного газа (закрытого цикла). Тяга данного ЖРД составляла 222 тонн-силы в вакууме и 184 на уровне моря.

Его аналогом в СССР был двигатель для второй ступени РН «Энергия» – РД-0120, но с несколько худшими параметрами, не смотря на большее давление газа в камере сгорания (216 атмосфер против 192), при этом масса его была выше, а тяга меньше.

Современные же кислород-водородные двигатели, такие как «Вулкан» европейского РН «Ариан» созданы с использованием открытого цикла газогенератора (сброс газогенераторного газа), и в результате этого, обладает худшими параметрами.

Другая топливная пара – низкокипящий кислород в качестве окислителя и высококипящий керосин, применяются в самом мощном ЖРД РД-170. Построенный по четырехкамерной схеме (один турбонасосный агрегат обеспечивает подачу топлива в 4 камеры сгорания), с закрытым циклом, двигатель обеспечивает тягу в 806 тонн-сил в вакууме, при этом рассчитан на 10 полётных циклов. Двигатель создавался для первой ступени РН «Энергия» (стартовые ускорители). Сегодня его вариант РД-171, обеспечивающий газодинамическое управление по всем трём осям (РД-170 только по двум) используется на РН «Зенит», являющийся, по-сути, самостоятельным стартовым ускорителем от РН «Энергия». Масштабирование двигателя позволило создать двухкамерный РД-180 и однокамерный РД-191, для американской РН Атлас и российской Ангара соответственно.

Наиболее мощным РН на сегодняшний день, является российский «Протон-М», оснащенный ЖРД на высококипящих компонентах РД-275 (первая ступень), и РД-0210 (вторая ступень). Применение высококипящих компонентов, указывает, на, отчасти, военное прошлое данного РН.

РД-275 выполнен по однокамерной схеме, закрытого цикла. Компоненты топлива – гептил и окислитель – N2O4, являются высокотоксичными. Тяга в пустоте – 187 тонн. По всей видимости, это вершина развития ЖРД на высококипящих компонентах, потому как на перспективных космических РН буду применятся нетоксичные кислород-керосиновые или кислород-водородные двигатели, а на боевых БР, включая МБР применяются РДТТ.

Местом, где сохраняется возможность и перспективы применения ЖРД на токсичных компонентах является открытый космос. То есть применение таких ЖРД возможно на разгонных блоках. Так, на российском РБ «Бриз-М» установлен двигатель С5.98М, работающий на тех же компонентах, что и РД-275.

В целом, стоит отметить, что на сегодняшний день российские ЖРД лидируют на мировом рынке как по количеству выведенной нагрузке, так и по распространению на РН различных государств.

При этом продолжаются работы по созданию новых типов двигателей, таких как трехкомпонентные ЖРД, обеспечивающие универсальность применения в атмосфере и за её пределами. Поскольку созданные двигатели достигли предела технического совершенства превзойти их будет очень сложно, а с учетом необходимых на это финансовых затрат – и вовсе бессмысленно. Таким образом, у нас есть лучшая в мире конструкторская школа в этой области, вопрос только в достаточном финансировании, для ее сохранения и развития.

Худзицкий Михаил , инженер-конструктор систем наведения

Жидкостный ракетный двигатель – это двигатель, топливом для которого служат сжиженные газы и химические жидкости. В зависимости от количества компонентов ЖРД делятся на одно-, двух- и трехкомпонентные.

Краткая история развития

Впервые использование сжиженного водорода и кислорода как топлива для ракет предложил К.Э. Циолковский в 1903 году. Первый прототип ЖРД создал американец Роберт Говард в 1926 году. Впоследствии подобные разработки проводились в СССР, США, Германии. Самых больших успехов добились немецкие ученые: Тиль, Вальтер, фон Браун. Во время Второй мировой войны они создали целую линейку ЖРД для военных целей. Есть мнение, что создай Рейх «Фау-2» раньше, они бы выиграли войну. Впоследствии холодная война и гонка вооружений стали катализатором для ускорения разработок ЖРД с целью применения их в космической программе. При помощи РД-108 были выведены на орбиту первые искусственные спутники Земли.

Сегодня ЖРД используется в космических программах и тяжелом ракетном вооружении.

Сфера применения

Как уже было сказано выше, ЖРД используется в основном как двигатель космических аппаратов и ракет-носителей. Основными преимуществами ЖРД есть:

• наивысший удельный импульс в классе;
• возможность выполнения полной остановки и повторного запуска в паре с управляемостью по тяге дает повышенную маневренность;
• значительно меньший вес топливного отсека в сравнении со твердотопливными двигателями.

Среди недостатков ЖРД:

• более сложное устройство и дороговизна;
• повышенные требования к безопасной транспортировке;
• в состоянии невесомости необходимо задействовать дополнительные двигатели для осаждения топлива.

Однако основным недостатком ЖРД является предел энергетических возможностей топлива, что ограничивает космическое освоение с их помощью до расстояния Венеры и Марса.

Устройство и принцип действия

Принцип действия ЖРД один, но он достигается при помощи разных схем устройств. Горючее и окислитель при помощи насосов поступают из разных баков на форсуночную головку, нагнетаются в камеру сгорания и смешиваются. После возгорания под давлением внутренняя энергия топлива превращается в кинетическую и через сопло вытекает, создавая реактивную тягу.

Топливная система состоит из топливных баков, трубопроводов и насосов с турбиной для нагнетания топлива из бака в трубопровод и клапана-регулятора.

Насосная подача топлива создает высокое давление в камере и, как следствие, большее расширение рабочего тела, за счет которого достигается максимальное значение удельного импульса.

Форсуночная головка – блок форсунок для осуществления впрыска топливных компонентов в камеру сгорания. Основное требование к форсунке – качественное смешивание и скорость подачи топлива в камеру сгорания.

Система охлаждения

Хотя доля теплоотдачи конструкции в процессе сгорания незначительна, проблема охлаждения актуальна ввиду высокой температуры горения (>3000 К) и грозит термическим разрушением двигателя. Выделяют несколько типов охлаждения стенок камеры:

Регенеративное охлаждение базируется на создании полости в стенках камеры, через которую проходит горючее без окислителя, охлаждая стенку камеры, а тепло вместе с охладителем (горючим) возвращается обратно в камеру.

Пристенный слой – это созданный из паров горючего слой газа у стенок камеры. Достигается этот эффект путем установки по периферии головки форсунок подающих только горючее. Таким образом горючая смесь испытывает недостаток окислителя, и горение у стенки происходит не так интенсивно, как в центре камеры. Температура пристенного слоя изолирует высокие температуры в центре камеры от стенок камеры сгорания.

Абляционный метод охлаждения жидкостного ракетного двигателя осуществляется нанесением на стенки камеры и сопел специального теплозащитного покрытия. Покрытие при высоких температурах переходит из твердого состояния в газообразное, поглощая большую долю тепла. Данный метод охлаждения жидкостного ракетного двигателя использовался в лунной программе «Аполлон».

Запуск ЖРД очень ответственная операция в плане взрывоопасности при сбоях в ее осуществлении. Есть самовоспламеняющиеся компоненты, с которыми не возникает трудностей, однако при использовании для воспламенения внешнего инициатора необходима идеальная согласованность подачи его с компонентами топлива. Скопление несгоревшего топлива в камере имеет разрушительную взрывную силу и сулит тяжелые последствия.

Запуск больших жидкостных ракетных двигателей проходит в несколько ступеней с последующим выходом на максимальную мощность, в то время как малые двигатели запускаются с моментальным выходом на стопроцентную мощность.

Система автоматического управления жидкостных ракетных двигателей характеризируется выполнением безопасного запуска двигателя и выхода на основной режим, контролем стабильной работы, регулировкой тяги согласно плану полета, регулировкой расходников, отключением при выходе на заданную траекторию. Вследствие не поддающихся расчетам моментов ЖРД оснащается гарантийным запасом топлива, чтобы ракета могла выйти на заданную орбиту при отклонениях в программе.

Компоненты топлива и их выбор в процессе проектирования являются решающими в схеме построения жидкостного ракетного двигателя. Исходя из этого, определяются условия хранения, транспортировки и технологии производства. Важнейшим показателем сочетания компонентов является удельный импульс, от которого зависит распределение процента массы топлива и груза. Размеры и масса ракеты рассчитываются при помощи формулы Циолковского. Кроме удельного импульса, плотность влияет на размер баков с компонентами горючего, температура кипения может ограничивать условия эксплуатации ракет, химическая агрессивность свойственна всем окислителям и при несоблюдении правил эксплуатации баков может стать причиной возгорания бака, токсичность некоторых соединений топлива может нанести серьезный вред атмосфере и окружающей среде. Поэтому фтор хотя и является лучшим окислителем, чем кислород, не используется ввиду своей токсичности.

Однокомпонентные жидкостные ракетные двигатели как топливо используют жидкость, которая, взаимодействуя с катализатором, распадается с выходом горячего газа. Основное преимущество однокомпонентных ЖРД в простоте их конструкции, и хотя удельный импульс таких двигателей небольшой, они идеально подходят как двигатели с малой тягой для ориентации и стабилизации космических аппаратов. Данные двигатели используют вытеснительную систему подачи горючего и ввиду небольшой температуры процесса не нуждаются в системе охлаждения. К однокомпонентным двигателям относятся также газореактивные двигатели, которые используются в условиях недопустимости тепловых и химических выхлопов.

В начале 70-х годов США и СССР разрабатывали трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели, которые использовали бы в качестве горючего водород и углеводородное горючее. Таким образом двигатель работал бы на керосине и кислороде при запуске и переключался на жидкий водород и кислород на большой высоте. Примером трехкомпонентного ЖРД в России есть РД-701.

Управление ракетой впервые было применено в ракетах «Фау-2» при использовании графитных газодинамических рулей, однако это снижало тягу двигателя, и в современных ракетах используются поворотные камеры, прикрепленные к корпусу шарнирами, создающими маневренность в одной или двух плоскостях. Кроме поворотных камер, используются также двигатели управления, которые закреплены соплами в противоположном направлении и включаются при необходимости управления аппаратом в пространстве.

ЖРД закрытого цикла – это двигатель, один из компонентов которого газифицируется при сжигании при небольшой температуре с малой частью другого компонента, полученный газ выступает как рабочее тело турбины, а после подается в камеру сгорания, где сгорает с остатками топливных компонентов и создает реактивную тягу. Основным недостатком данной схемы есть сложность конструкции, но при этом удельный импульс увеличивается.

Перспектива увеличения мощности жидкостных ракетных двигателей

В российской школе создателей ЖРД, руководителем которой долгое время был академик Глушко, стремятся к максимальному использованию энергии топлива и, как следствие, предельно возможному удельному импульсу. Так как максимальный удельный импульс можно получить лишь при повышении расширения продуктов сгорания в сопле, все разработки ведутся на поиски идеальной топливной смеси.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

(ФГБОУ ВПО)

«Астраханский государственный технический университет»(АГТУ)

«Институт морских технологий, энергетики и транспорта» (ИМТЭиТ)

Кафедра «Теплоэнергетика»(ТЭН)

Курсовая работа

по дисциплине «Топливо»

на тему «Ракетные топлива»

Выполнил

студент группы ТЕТ-21

Приказчиков А.А.

Рецензенты:

студенты группы ТЕТ-21

Путятин С.С., Жидков С.М.

Преподаватель:

д.х.н., профессор Рябухин Ю.И.

Астрахань- 2012

1. Историческая справка

Основные виды ракетного топлива

1 Жидкие ракетные топлива

1.1 Окислители

1.2 Горючее

1.3 Сравнение наиболее распространённых жидких ракетных топлив

2 Твёрдые ракетные топлива

2.1 Ракетные пороха

2.2 Смесевые ракетные топлива

Список литературы

. Историческая справка

Ракеты на твёрдом топливе появились гораздо раньше, чем ракеты с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД). Последние настолько стали привычными для нас, что мы забываем о том, когда они стали использоваться для покорения космоса и в боевых действиях воюющих сторон. А это случилось всего каких-то 50 лет назад. До этого твёрдотопливные ракеты, или ракеты с пороховыми двигателями, на протяжении нескольких веков успешно эксплуатировались и применялись в войсках. На возможность использования жидкостей, в том числе жидких водорода H2 и кислорода O2, в качестве топлива для ракет указывал К. Э. Циолковский <#"justify">2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Выбор ракетного топлива зависит от многих факторов. Идеального топлива нет, у каждого есть свои плюсы и минусы. Такие факторы, как цена, удельный импульс, скорость горения, функция зависимости скорости горения от давления, безопасность и технологичность изготовления и другие могут влиять на выбор топлива.

2.1 ЖИДКИЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

Окислитель и горючее двухкомпонентных топлив содержатся в отдельных ёмкостях - баках и при помощи различных устройств раздельно подаются в камеру двигателя для сжигания. Двухкомпонентные жидкие топлива в настоящее время имеют самое широкое применение, так как они обеспечивают самую наибольшую удельную тягу двигателя, легко позволяют регулировать величину и направление тяги в полете, а также выключать двигатель и запускать его повторно. Недостаток этих топлив - сложное устройство двигателя с большим числом деталей и узлов со сложной системой управления и регулирования.

К самовоспламеняющимся относят такие двухкомпонентные топлива, горение которых начинается само по себе при смешении окислителя и горючего в камере двигателя.

Несамовоспламеняющиеся топлива для начала горения при запуске двигателей требуют применения дополнительных средств зажигания. Самовоспламеняющиеся топлива обеспечивают более надёжный запуск двигателя и устойчивую его работу.

Жидкие однокомпонентные топлива представляют собой заранее приготовленную несамовоспламеняющуюся смесь окислителя и горючего в необходимом для горения соотношении или такое жидкое вещество, которое при определённых условиях разлагается с выделением теплоты и образованием газов. Однокомпонентные топлива размещаются на ракете в одном баке и по одной линии подаются в камеру сгорания через форсунки.

Преимуществом таких топлив перед двухкомпонентными является упрощение конструкции двигателя , поскольку необходима только одна линия системы подачи. Но широкого применения эти топлива в ЖРД не получили, так как они не могут обеспечить необходимую удельную тягу. Те однокомпонентные топлива, которые позволяют получить достаточную удельную тягу, непригодны для использования из-за большой склонности к самопроизвольному взрыву. Однокомпонентные топлива опасны также для применения их с целью охлаждения камеры сгорания. Эти топлива употребляются большей частью только для вспомогательных целей: для двигателей малых тяг, которые применяются с целью управления и стабилизации летательных аппаратов, а так же для вращения турбин турбонасосных агрегатов ЖРД.

Таблица 1. Основные характеристики двухкомпонентных жидких топлив при оптимальном соотношении компонентов (давление в камере сгорания 100 кгс / см2, на срезе сопла 1 кгс / см2).

Окисли-тельГорючееТепло-творность топлива*, ккал / кгПлот-ность*, г / см2Темпера-тура в камере сгорания, КУдельный импульс в пустоте, секАзотная кислота (98 %)Керосин14601,362980313ТГ-0214901,323000310Анилин (80 %) + фурфуриловый спирт (20 %)14201,393050313Жидкий кислородСпирт (94 %)20200,393300255Водород20200,323250391Керосин22001,043755335НДМГ 22001,023670344Гидразин22301,073446346Аммиак22000,843070323АТКеросин15501,273516309НДМГ22001,203469318Гидразин22301,233287322Жидкий фторВодород23000,624707412Гидразин22301,314775370

В двухкомпонентных топливах для полного сгорания обоих компонентов на каждую единицу массы одного из них требуется строго определённое количество другого. Так, для сжигания 1 кг керосина необходимо 15 кг воздуха, или 5,5 кг азотной кислоты, или 3,4 кг жидкого кислорода. В практически выполненных ЖРД окислитель подаётся в камеру в несколько меньшем количестве , чем требуется для полного сгорания.

Оказывается, в этом случае получается наибольшее значение удельной тяги. Причина заключается в том, что при уменьшении расхода окислителя несколько изменяется состав продуктов сгорания. Вследствие этого снижается процесс теплового распада молекул газов - продуктов сгорания - на атомы и ионы, который происходит с большим поглощением теплоты и бесполезным уносом её за пределы сопла, а также улучшаются условия превращения энергии в сопле.

Для эксплуатации жидкостных ракет большое значение имеет температура кипения топлива. Все компоненты топлива делятся на высококипящие и низкокипящие .

К высококипящим относятся окислители и горючие, которые могут содержаться в жидком состоянии при обычных температурах эксплуатации ракет (до +150 0C) под атмосферным или повышенным давлением, остальные относятся к низкокипящим .

2.1.1 Окислители

В жидкостных ракетах количество окислителя по массе превышает количество горючего в среднем в 3-6 раз, а масса топлива в 9 раз больше массы конструкции двигателя.

Свойства топлива во многом зависят от характера окислителя . Например, по важнейшей характеристике - удельной тяге - топливо «жидкий кислород и керосин», отличаются от топлива «азотная кислота и керосин» примерно на 15 %.

Из низкокипящих окислителей наибольшее применение в распространённых двигателях имеет жидкий кислород . Изучается возможность использования жидкого фтора , его соединений с кислородом и озона .

Из высококипящих широко применяются азотная кислота и её смеси с четырёхокисью азота . Может применяться четырёхоксид азота , пероксид водорода . Исследуются соединения фтора с хлором и тетранитрометаном .

Рассмотрим некоторые виды окислителей.

1. ЖИДКИЙ КИСЛОРОД (O 2 ). Представляет собой подвижную жидкость голубоватого цвета несколько тяжелее воды.

Особенности : кислород является одним из наиболее мощных окислителей , так как его молекула не содержит атомов, не участвующих в процессе окисления, как это имеет место, например в азотной кислоте. Топлива более эффективные чем с кислородом могут быть получены только с озоном , фтором или фторидом кислорода .

Основное свойство , определяющее особенности работы с жидким кислородом , заключается в его низкой температуре кипения . Из-за этого он очень быстро испаряется, что вызывает его большие потери при хранении и заправке ракеты. Бак ракеты заправляется жидким кислородом непосредственно перед запуском ракеты. Потери на испарении при заправке составляют до 50 %, а при содержании в ракете до 3 % в час. Жидкий кислород хранится и транспортируется в специальных ёмкостях - танках из металла с обеспечением хорошей тепловой изоляции.

Жидкий кислород не ядовит . Кратковременно соприкосновение его в небольших количествах с открытыми участками тела человека неопасно: образующийся газообразный слой не допускает обмораживания кожи.

Жидкий кислород - один из наиболее дешёвых окислителей , что объясняется простотой производства и обилием сырья. В составе воды он составляет 89 % по массе, а в воздухе - 23 %. Обычно получают кислород из воздуха, путём сжижения и отделения в жидком виде от азота и других газов земной атмосферы.

2. АЗОТНАЯ КИСЛОТА (HNO 3 ) . Химически чистая 100 % азотная кислота является бесцветной легкоподвижной тяжёлой жидкостью, сильно дымящей в воздухе.

Особенности : 100 % азотная кислота неустойчива и легко разлагается на воду, кислород и оксиды азота .

HNO 3 - Мощный окислитель , поскольку в её молекуле содержится

% кислорода . При окислении различных горючих она разлагается на воду, кислород и азот . От всех широко используемых окислителей она выгодно отличается большим удельным весом . Вследствие высокой теплоёмкости она может быть использована в качестве охлаждающего компонента камеры ЖРД.

При обычных условиях эксплуатации азотная кислота - жидкость, что является одним из её преимуществ. Ракеты, в которых она используется в качестве окислителя, могут длительное время храниться заправленными , в постоянной готовности к пуску. К недостаткам в эксплуатации относится значительное повышение давления в герметически закрытых ёмкостях с азотной кислотой, вследствие процесса её разложения. Главный недостаток азотной кислоты - высокая коррозийная активность по отношению к большинству материалов. Агрессивность азотной кислоты значительно усложняет обращение с ней. Хранение и транспортировка её производится с использованием специальных ёмкостей.

Недостатки : азотная кислота обладает ядовитыми свойствами. Попадание её на кожу человека вызывает появление болезненных, долго незаживающих язв. Вредны для здоровья также пары азотной кислоты . Они превосходят по ядовитости угарный газ в 10 раз.

Стоимость азотной кислоты невелика. Основной метод получения азотной кислоты заключался в окислении аммиака кислородом воздуха в присутствии платины и растворении получившихся оксидов азота в воде.

N2 + 2 O2 => 2 NO2

. ТЕТРАОКСИД ДИАЗОТА (N 2 O 4 ) . Представляет собой при обычной температуре жёлтую жидкость.

Особенности : с увеличением температуры распадается на диоксид азота , окрашенный в красно-бурый цвет, так называемый «бурый газ».

Является несколько более эффективным окислителем , чем азотная кислота . Топлива на её основе имеют удельную тягу примерно на 5 % больше, чем азотнокислотные.

Недостатки : по отношению к материалам тетраоксид диазота значительно менее агрессивен , чем азотная кислота , но не менее ядовит .

Главный недостаток - низкая температура кипения и высокая температура затвердевания , что резко уменьшает возможность её использования в ракетных топливах в чистом виде. Условия её применения улучшаются в смесях с другими оксидами азота .

4. ПЕРОКСИД ВОДОРОДА (H 2 O 2 ). Бесцветная прозрачная тяжёлая жидкость.

Особенности: пероксид водорода является нестойким химическим соединением, легко разлагающимся на воду и кислород . Склонность к разложению возрастает с ростом концентрации. При разложении выделяется значительное количество тепла.

Наибольшее распространение получили водные растворы 80 % и 90 % концентрации пероксида водорода. Химической стойкости растворов и безопасности работы с ними можно добиться введением веществ-стабилизаторов . К ним относятся фосфорная , уксусная и щавелевая кислоты . Обязательное условие стабилизации пероксида водорода - чистота . Незначительные примеси и загрязнения резко ускоряют её разложение и даже могут привести к взрыву.

По сравнению с азотной кислотой пероксид водорода обладает малой коррозийной активностью , но некоторые металлы он окисляет.

Недостатки : пероксид водорода пожаро- и взрывоопасен. Органические вещества при соприкосновении с ним легко загораются. При температуре +175 0C он взрывается. Попадание его на кожу вызывает тяжёлые ожоги .

В настоящее время пероксид водорода мало применяется, т. к. топлива на его основе дают сравнительно невысокую тягу.

5. ЖИДКИЙ ФТОР (F 2 ). Представляет собой тяжёлую жидкость ярко-жёлтого цвета.

Особенности: фтор обладает лучшими окислительными свойствами , чем кислород . Из всех химических элементов он наиболее активен , вступая в соединения почти со всеми окисляющимися веществами при обычной комнатной температуре. При этом часто происходит воспламенение. Даже кислород окисляется фтором , сгорая в его атмосфере.

Из-за своей исключительно высокой химической активности фтор со всеми горючими образует самовоспламеняющиеся топлива . Однако фторные топлива дают более высокую удельную тягу, чем кислородные , только при условии, если горючее богато водородом . Горючие содержащие много углерода , образуют со фтором значительно менее эффективные топлива.

Недостатки : фтор очень ядовит . Он сильно разъедает кожу, глаза, дыхательные пути. В ракетной технике он пока используется только в опытных двигателях.

2.1.2 Горючее

В качестве горючего в жидких топливах применяются в основном вещества, в которых окисляемыми атомами химических элементов являются атомы углерода и водорода . В природе существует чрезвычайно большое количество химических соединений этих элементов. Большинство из них относятся к органическим веществам.

В настоящее время в ракетной технике используется много разнообразного горючего. Несмотря на то, что горючее составляет только 15-25 % от массы топлива, его правильный выбор имеет большое значение . Только при удачном сочетании окислителя и горючего могут быть удовлетворены если не все, то хотя бы важнейшие требования к топливу. Большинство видов ракетного горючего являются высококипящими. Их общий недостаток - невысокий удельный вес , в полтора-два раза меньший, чем у окислителей.

На практике в качестве ракетного горючего чаще всего применяется углеводород , являющийся продуктом переработки нефти (керосины), амины , аммиак, гидразин и его производные.

Рассмотрим некоторые виды горючего.

1. УГЛЕВОДОРОДЫ (нефтепродукты) представляют собой смеси химических соединений углерода с водородом . Их энергетические показатели ниже, чем у водорода , но выше, чем у углерода . Наибольшее применение имеет керосин .

Особенности керосина: он представляет собой лёгкую жидкость с высокой температурой кипения, обладающую большой стойкостью против разложения при нагревании. Керосин не является веществом строго определённого состава с однозначной химической формулой, из-за чего невозможно точно определить его свойства. В зависимости от месторождения нефти состав и свойства керосина могут меняться. Ракетный керосин имеет в своём составе повышенное содержание таких углеводородов , которые дают меньше отложений при охлаждении двигателя.

Недостатки керосина: он не воспламеняется при соприкосновении с обычными окислителями, поэтому необходим специальный источник зажигания .

Керосин широко применяется в ракетных топливах с жидким кислородом , азотнокислотными окислителями и пероксидом водорода .

2. АМИНЫ - соединения, которые получаются, если в молекуле аммиака один, два или три атома водорода заменить углеводородными группами . В ракетной технике нашли применение: триэтиламин , анилин , ксилидин и др.

Особенность : амины бурно взаимодействуют с азотной кислотой и тетраоксидом диазота , приводящие к самовоспламенению. По эффективности горючее на основе аминов близко к керосину. Способность аминов вызывать коррозию металлов невелика . Они хранятся и транспортируются в ёмкостях из обычных чёрных металлов.

Недостатки: у аминов значительно большая стоимость по сравнению с керосином, а так же ядовитость , которая проявляется как при вдыхании паров, так и при попадании на кожу.

Для улучшения физико-химических свойств, амины используются в качестве горючего в смеси с другими веществами, в том числе и с другими аминами .

Горючее на основе аминов нашло применение в самовоспламеняющихся топливах с азотной кислотой, четырёхоксидом азота и их смесями.

3. ГИДРАЗИН . При горении гидразина в реакции окисления участвуют только атомы водорода , а азот выделяется в свободном виде, увеличивая количество газа.

Гидразин представляет собой бесцветную прозрачную жидкость (примерно в том же диапазоне температур, что и вода) и имеет аммиачный запах. Обычно применяется в смесях с другими веществами .

Особенности: гидразин является эффективным горючим . Этому способствует то, что его молекула образуется с поглощением теплоты, которая в процессе горения выделяется дополнительно к теплоте окисления. Другое его положительное свойство - большой удельный вес .

Недостатки: гидразин имеет высокую температуру затвердевания , что представляет большое неудобство в эксплуатации. Его пары при нагревании и ударах взрываются. При воздействии кислорода воздуха он окисляется. Гидразин коррозийно активен . Стойкими по отношению к нему являются алюминий и его сплавы, нержавеющие стали, полиэтилен, полифторэтилен, фторопласт . Гидразин ядовит , раздражающе действует на слизистую оболочку глаз и может вызывать временную слепоту.

4. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ДИМЕТИЛГИДРАЗИН представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с резким запахом.

Особенности : по сравнению с гидразином он существенно удобнее в эксплуатации, так как остаётся жидкостью в большем интервале температур. Обладает хорошей стойкостью при нагревании. В отличие от гидразина его пары не взрываются от внешнего воздействия. Главная особенность - высокая химическая активность. Он легко окисляется кислородом воздуха, а с углекислой кислотой образует соли, выпадающие в осадок.

Недостатки : диметилгидразин (по сравнению с гидразином) обладает худшей эффективностью как горючее, поскольку в его молекуле кроме атомов водорода содержатся менее эффективные атомы углерода. Самовоспламеняется на воздухе при температуре 250 0С, смеси паров диметилгидразина с воздухом легко взрываются, и он ядовит .

2.1.3 Сравнение наиболее распространённых жидких ракетных топлив

. Топлива на основе жидкого кислорода обеспечивают наибольшую удельную тягу из всех применяемых в настоящее время ракетных топлив. Их основной недостаток - низкая температура кипения окислителя. Это затрудняет использование их в боевых ракетах, которые должны длительное время находиться в готовности к пуску.

С жидким кислородом могут применяться такие горючие как керосин, несимметричный диметилгидразин , аммиак . Особое место занимает топливо кислород + водород , которое обеспечивает удельную тягу на 30-40 % большую, чем другие распространённые топлива. Это топливо более всего подходит для использования в больших ракетах.

2. Топлива на основе азотной кислоты в смеси 20-30 % оксидов азота значительно уступают кислородным топливам по удельной тяге , но обладают преимуществом по удельному весу . Кроме того, эти топлива являются высококипящими длительнохранимыми веществами, что позволяет держать боевые ракеты в полностью снаряженном и заправленном виде длительное время.

Азотнокислотные окислители обладают хорошими охлаждающими свойствами . Но вследствие сравнительно невысоких температур в камере сгорания охлаждение двигателей средних и больших тяг может быть обеспечено горючим, хотя в составе топлива его содержится меньше, чем окислителя.

Такие горючие как смесь аминов , несимметричный диметилгидразин и некоторые другие вещества образуют с азотнокислотными окислителями самовоспламеняющиеся топлива . Керосин и другие углеводороды требуют принудительного зажигания .

3. Топлива на основе четырёхоксида азота дают несколько большую удельную тягу , чем азотнокислотные, но имеют пониженный удельный вес . Несмотря на такой эксплуатационный недостаток, как высокая температура затвердевания окислителя , они находят применение в ракетах дальнего действия. Такие топлива заменили кислородное топливо, т. к. дают возможность хранить ракету в заправленном состоянии, готовой к запуску.

Преимуществом топлива на основе четырёхоксида азота является также самовоспламеняемость .

2.2 Твёрдые ракетные топлива

По внешнему виду все заряды твёрдого топлива представляют собой плотные твёрдые тела главным образом тёмных цветов. Ракетные пороха обычно имеют тёмно-коричневый цвет и внешне похожи на роговидное вещество. Если они содержат добавки (в виде сажи, например), то цвет их бывает чёрным. Смесевые топлива бывают чёрного и чёрно-серого цвета в зависимости от цвета горючего и добавок, и обычно подобны сильно завулканизированной резине, но менее эластичны и более хрупки.

Твёрдые топлива практически безопасны как по воздействию на организм человека, так и по отношению к различным конструкционным материалам. При хранении в обычных условиях они не выделяют агрессивных веществ . Ракетные пороха из-за летучих свойств растворителя - нитроглицерина (рис.1) - способны вызывать кратковременные не очень сильные головные боли.

Рис.1. Структурная формула нитроглицерина

2.2.1 Ракетные пороха

Ракетные пороха представляют собой сложные многокомпонентные системы, в которых каждому веществу отведена своя роль с целью получения заданных свойств того или иного вида пороха. Основным компонентом порохов являются нитраты целлюлозы, которые при сгорании выделяют наибольшее количество тепловой энергии. Они же определяют и физико-химические свойства пороха. Рассмотрим некоторые составные части порохов.

1. НИТРАТЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ , или нитроклетчатка, получаются обработкой целлюлозы смесью азотной и серной кислот. Такая обработка называется нитрацией . Исходный материал - целлюлоза (клетчатка) - широко распространённое в природе вещество, из которого почти целиком состоят лён, пенька, хлопок и др.

Нитраты целлюлозы представляют собой рыхлую массу. Они легко воспламеняются даже от слабой искры. Горение происходит за счёт кислорода, содержащегося в нитрогруппах, и подвода кислорода извне не требуется . Однако непосредственно использование нитроцеллюлозы в качестве ракетного топлива исключается, так как из неё невозможно изготовить заряд, горящий по строго определённому закону. Даже после сильного прессования она имеет множество пор. Горение её происходит не только снаружи но и внутри, т. к. горючий газ проникает по порам внутрь. Вследствие этого может произойти взрыв , способный разрушить двигатель. Для предотвращения этого производят пластификацию нитроцеллюлозы , т. е. приготавливают из неё твёрдый раствор однородного состава, без пор.

2. РАСТВОРИТЕЛИ-ПЛАСТИФИКАТОРЫ нитроцеллюлозы - нитроглицерин , нитрогликоль и некоторые другие вещества. Они являются вторым основным компонентом порохов как по массе, так и по запасу энергии. Их часто называют труднолетучими растворителями , так как они не удаляются из раствора в процессе производства, а полностью остаются в составе пороха.

НИТРОГЛИЦЕРИН - вещество, образующееся при нитрации трёхатомного спирта глицерина - смесью азотной и серной кислот . Представляет собой бесцветную маслообразную жидкость.

Нитроглицерин - мощное взрывчатое вещество . Он легко взрывается при ударе или трении. Горение его происходит за счёт кислорода, содержащегося в нитрогруппах. Поскольку кислорода в его молекуле имеется в избытке, то часть кислорода идёт на дополнительное окисление нитроцеллюлозы, что приводит к общему увеличению запаса энергии твёрдого топлива. С увеличением содержания нитроглицерина в порохах растут не только их энергетические показатели , но и взрывоопасность и чувствительность к удару . Ракетные пороха с большим содержанием нитроглицерина обеспечивают высокую удельную тягу.

Для пластификации нитроцеллюлозы с целью облегчения технологии производства, увеличения сроков и допустимой температуры хранения зарядов применяют и другие растворители.

НИТРОГЛИКОЛЬ как взрывчатое вещество, менее чувствительно к механическим воздействиям . Его получают нитрацией этиленгликоля . Запас кислорода в его молекуле меньше, чем в молекуле нитроглицерина , поэтому применение в качестве растворителя ухудшает энергетические показатели порохов.

Кроме нитроглицерина и нитрогликоля иногда применяется такой растворитель нитроцеллюлозы , как нитрогуанидин .

3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПЛАСТИФИКАТОРЫ и вещества, регулирующие энергетические свойства топлива, хорошо совмещаются с основными растворителями. Они не содержат совсем, или содержат очень мало активного кислорода и потому вводятся в состав порохов в небольших количествах, чтобы не снижать их энергетические характеристики. К ним относятся такие вещества, как динитролуол ,дибутилфталат , диэтилфталат .

4. СТАБИЛИЗАТОРЫ вводятся в состав порохов для повышения их химической стойкости. При хранении порохов происходит разложение нитроцеллюлозы с образованием оксидов азота , которые ускоряют её дальнейшее разложение, делая её взрывоопасной. Стабилизаторы замедляют разложение нитроцеллюлозы , соединяясь с выделяющимися оксидами азота , они связывают их, превращая в химически малоактивные вещества.

5. ВЕЩЕСТВА, УЛУЧШАЮЩИЕ ГОРЕНИЕ ПОРОХОВ , обеспечивают ускорение , замедление или стабилизацию процесса сгорания в камере твёрдотопливных ракетных двигателей. К ним относится большое число солей или оксидов различных металлов (олова Sn , марганца Mn , цинка Zn , хрома Cr , свинца Pb , титана Ti , калия K , бария Ba и т. д.).

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ ? вещества, облегчающие процесс изготовления пороха, вводятся в наиболее ответственных операциях для снижения трения и нагрузок на машины . Они играют роль смазок как внутри топливной массы, так и между массой и инструментом. Для этого применяются мел, уменьшающий внутреннее трение, вазелин и трансформаторное масло, графит , стеарат свинца и другие вещества,снижающие давление при прессовании. Вводятся они в малом количестве.

Производство ракетных порохов ведётся по сложной технологической схеме с применением высоких температур и давления . В задачу производства входит изготовление твёрдых однородных пороховых зарядов, отвечающих ряду жёстких требований, из большого числа веществ, разнородных по химическим и физическим свойствам, а также агрегатному состоянию.

2.2.2 Смесевые ракетные топлива

Смесевые топлива по сравнению с порохами, по составу значительно проще. Они включают в себя два-три, редко четыре компонента. Рассмотрим некоторые из них.

1. В КАЧЕСТВЕ ОКИСЛИТЕЛЕЙ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ используются, как правило, соли неорганических кислот - азотной и хлорной . Их особенность - большой процент кислорода в молекуле . Все они по массе примерно наполовину состоят из кислорода. В обычных условиях они обладают химической стойкостью, но при сильном нагревании способны распадаться с выделением свободного кислорода. Все твёрдые окислители имеют в своём составе, помимо кислорода , атомы химических элементов, способные к окислению. Поэтому при разложении этих окислителей часть кислорода оказывается связанной с этими элементами и свободного кислорода выделяется значительно меньше, чем имеется в молекуле.

Самым распространённым окислителем твёрдых топлив является ПЕРХЛОРАТ АММОНИЯ . Эта соль представляет собой белый (бесцветный) кристаллический порошок, и разлагается она при нагревании выше 150 0С. На воздухе незначительно увлажняется. Чувствителен к удару и трению, особенно при наличии органических примесей. Может гореть без горючего и взрываться. При горении не выделяет твёрдых веществ, но в его продуктах сгорания содержится агрессивный и довольно ядовитый газ - хлористый водород (HCl), который при наличии влаги образует с ней соляную кислоту. Преимущества перхлората аммония состоят в том, что он обладает невысокой температурой разложения и разлагается только на газообразные продукты с небольшой молекулярной массой, обладает малой гигроскопичностью, доступен, дёшев.

Другим окислителем является ПЕРХЛОРАТ КАЛИЯ . Эта соль разлагается при температуре выше 440 0С, на воздухе не увлажняется (негигроскопична), не горит и не взрывается. Весь кислород, содержащийся в её составе, является активным. При сгорании она выделяет твёрдое вещество - хлорид калия, который создаёт плотное дымовое облако. Наличие хлорида калия в продуктах сгорания резко ухудшает свойства ракетных топлив, т. е. условия перехода тепловой энергии в кинетическую в сопле ракетного двигателя.

Ещё один широко используемый окислитель - НИТРАТ АММОНИЯ (аммиачная селитра), используется также как азотное удобрение. Представляет собой бесцветный (белый) кристаллический порошок. Разлагается при температуре 243 0С. Способен гореть и взрываться. При сгорании выделяется большое количество только газообразных продуктов. Смеси с органическими веществами способны самовозгораться, поэтому хранение ракетных топлив на его основе представляет серьёзную проблему. Имеет ядовитые свойства.

Приведёнными примерами не исчерпывается перечень возможных окислителей твёрдотопливных ракетных двигателей, в качестве которых могут использоваться, например, перхлораты лития , нитрозила и нитрония , динитрат гидразина и др.

2. ГОРЮЧЕ-СВЯЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА смесевых топлив - это высокомолекулярные органические соединения, или полимеры . Полимерами называются такие соединения, молекулы которых состоят из очень большого числа элементарных звеньев одинаковой структуры. Элементарные звенья соединяются между собой в длинные цепи линейного или разветвлённого строения. Свойства полимера зависят от химического строения элементарных звеньев, их количества и взаимного расположения.

Многие твёрдые полимеры получают из жидких веществ - мономеров , молекулы которых состоят из сравнительно небольшого числа атомов. Мономеры способны самопроизвольно соединяться в длинные цепи - полимеры? этот процесс называется полимеризацией .

Для ускорения полимеризации, или отверждения, применяются некоторые специальные вещества, называемые инициаторами , или отвердителями .

Многие высокомолекулярные соединения способны хорошо смешиваться и склеиваться с порошками (с кристаллическим окислителем и металлическим порошком), а затем превращаться в твёрдую монолитную массу после полимеризации. При нагревании некоторые полимеры размягчаются, становятся вязкотекущими, и в таком виде могут смешиваться с наполнителями , прочно удерживая их . При этом их можно заливать в формы и получать топливные заряды заданных размеров и форм .

Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков , смол и пластмасс , а также тяжёлые нефтепродукты - асфальт и битум . Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества , имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки - ПОЛИУРЕТАНОВЫЙ , БУТАДИЕНОВЫЙ и ПОЛИСУЛЬФИДНЫЙ , смолы - ПОЛИЭФИРНУЮ , ЭПОКСИДНУЮ И КАРБАМИДНУЮ , а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азота , кислорода , серы или хлора .

Основные недостатки полимерных смол и пластмасс как горюче-связующих веществ - малая эластичность и повышенная хрупкость при низких температурах . От этих недостатков в основном свободны синтетические каучуки.

3. ПОРОШКООБРАЗНЫЕ МЕТАЛЛЫ могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны металлические бериллий , литий , алюминий , магний , а так же некоторые их соединения. В результате введения указанных металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т. е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива , что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлсодержащего горючего, тем выше температура продуктов их сгорания. Почти все современные смесевые топлива содержат в качестве компонентов металлы.

Наиболее эффективным металлическим горючим является БЕРИЛЛИЙ , однако перспективы применения бериллия очень ограничены, потому что его запасы незначительны , а продукты сгорания весьма ядовиты . Следующий по эффективности металл - ЛИТИЙ . Его применение тормозится очень низкой температурой плавления (+186 0С) и самовоспламенением на воздухе в расплавленном состоянии. Самым распространённым и наиболее дешёвым металлическим горючим является АЛЮМИНИЙ . Применение тонко измельчённого порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надёжность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива. МАГНИЙ применяется редко, так как он в топливах даёт малую удельную тягу.

Кроме чистых металлов изучается применение в качестве дополнительных горючих веществ их соединений с водородом (гидридов).

4. КАТАЛИЗАТОРЫ И ДРУГИЕ ДОБАВКИ вводятся в смесевые топлива в небольших количествах для улучшения процесса горения (сажа, соли некоторых металлов), придания топливу пластичных свойств (растительные, минеральные и синтетические масла), улучшения стойкости при хранении и стабильности состава (диэтилфталат , этилцентралит ), облегчения технологии производства.

Технология изготовления зарядов из смесевых топлив включает смешение компонентов топлива, отливку и отверждение. В общем процесс изготовления смесевых топлив проще, чем порохов, однако при изготовлении крупногабаритных зарядов приходится преодолевать большие технологические трудности.

Список литературы

ракетное топливо горючее окислитель

Использованные электронные ресурсы:

1. «Ракетные топлива современных межконтинентальных баллистических ракет».

. А.В. Карпенко «Из истории твёрдотопливных ракет».

. Википедия (свободная энциклопедия).

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Была создана МБР Р-7 , оснащённая ЖРД РД-107 и РД-108 , на тот момент самими мощными и совершенными в мире, разработанными под руководством В. П. Глушко . Эта ракета была использована, как носитель первых в мире Искусственных спутников земли , первых пилотируемых космических аппаратов и межпланетных зондов.

В 1969 г. в США был запущен первый космический корабль серии Аполлон , выведенный на траекторию полёта к Луне ракетой-носителем Сатурн-5 , первая ступень которой была оснащена 5-ю двигателями F-1 . F-1 по настоящее время является самым мощным среди однокамерных ЖРД, уступая по тяге четырёхкамерному двигателю РД-170 , разработанному КБ «Энергомаш » в Советском Союзе в 1976 г.

В настоящее время космические программы всех стран базируются на использовании ЖРД.

Сфера использования, преимущества и недостатки

Каторгин, Борис Иванович, академик РАН, бывший руководитель НПО "Энергомаш"

Устройство и принцип действия двукомпонентного ЖРД

Рис. 1 Схема двукомпонентного ЖРД
1 - магистраль окислителя
2 - магистраль горючего
3 - насос окислителя
4 - насос горючего
5 - турбина
6 - газогенератор
7 - клапан газогенератора (окислитель)
8 - клапан газогенератора (горючее)
9 - главный клапан окислителя
10 - главный клапан горючего
11 - выхлоп турбины
12 - смесительная головка
13 - камера сгорания
14 - сопло

Существует довольно большое разнообразие схем устройства ЖРД, при единстве главного принципа их действия. Рассмотрим устройство и принцип действия ЖРД на примере двукомпонентного двигателя с насосной подачей топлива, как наиболее распространённого, схема которого стала классической. Другие типы ЖРД (за исключением трёхкомпонентного) являются упрощенными вариантами рассматриваемого, и при их описании достаточно будет указать упрощения.

На рис. 1 схематически представлено устройство ЖРД.

Топливная система

Топливная система ЖРД включает в себя все элементы, служащие для подачи топлива в камеру сгорания - топливные баки, трубопроводы, турбонасосный агрегат (ТНА) - узел, состоящий из насосов и турбины, смонтированных на едином валу, форсуночная головка, и клапаны, регулирующие подачу топлива.

Насосная подача топлива позволяет создать в камере двигателя высокое давление, от десятков атмосфер до 250 ат (ЖРД 11Д520 РН «Зенит»). Высокое давление обеспечивает большую степень расширения рабочего тела, что является предпосылкой для достижения высокого значения удельного импульса . Кроме того, при большом давлении в камере сгорания достигается лучшее значение тяговооружённости двигателя - отношения величины тяги к весу двигателя. Чем больше значение этого показателя, тем меньше размеры и масса двигателя (при той же величине тяги), и тем выше степень его совершенства. Преимущества насосной системы особенно сказываются в ЖРД с большой тягой - например, в двигательных установках ракет-носителей.

На рис.1 отработанные газы из турбины ТНА поступают через форсуночную головку в камеру сгорания вместе с компонентами топлива (11). Такой двигатель называется двигателем с замкнутым циклом (иначе - с закрытым циклом), при котором весь расход топлива, включая используемое в приводе ТНА, проходит через камеру сгорания ЖРД. Давление на выходе турбины в таком двигателе, очевидно, должно быть выше, чем в камере сгорания ЖРД, а на входе в газогенератор (6), питающий турбину, - ещё выше. Чтобы удовлетворить этим требованиям, для привода турбины используются те же компоненты топлива (под высоким давлением), на которых работает сам ЖРД (с иным соотношением компонентов, как правило, - с избытком горючего , чтобы снизить тепловую нагрузку на турбину).

Альтернативой замкнутому циклу является открытый цикл , при котором выхлоп турбины производится прямо в окружающую среду через отводной патрубок. Реализация открытого цикла технически проще, поскольку работа турбины не связана с работой камеры ЖРД, и в этом случае ТНА вообще может иметь свою независимую топливную систему, что упрощает процедуру запуска всей двигательной установки. Но системы с замкнутым циклом имеют несколько лучшие значения удельного импульса , и это заставляет конструкторов преодолевать технические трудности их реализации, особенно для больших двигателей ракет-носителей, к которым предъявляются особо высокие требования по этому показателю.

В схеме на рис. 1 один ТНА нагнетает оба компонента, что допустимо в случаях, когда компоненты имеют соизмеримые плотности. Для большинства жидкостей, используемых в качестве компонентов ракетного топлива, плотность колеблется в диапазоне 1 ± 0,5 г/см³, что позволяет использовать один турбопривод для обоих насосов. Исключение составляет жидкий водород, который при температуре 20°К имеет плотность 0,071 г/см³. Для такой лёгкой жидкости требуется насос с совершенно другими характеристиками, в том числе, с гораздо большей скоростью вращения. Поэтому, в случае использования водорода в качестве горючего , для каждого компонента предусматривается независимый ТНА.

При небольшой тяге двигателя (и, следовательно, небольшом расходе топлива) турбонасосный агрегат становится слишком «тяжеловесным» элементом, ухудшающим весовые характеристики двигательной установки. Альтернативой насосной топливной системе служит вытеснительная , при которой поступление топлива в камеру сгорания обеспечивается давленнием наддува в топливных баках, создаваемое сжатым газом, чаще всего азотом, который негорюч, неядовит, не является окислителем и сравнительно дёшев в производстве. Для наддува баков с жидким водородом употребляется гелий, так как другие газы при температуре жидкого водорода конденсируются и превращаются в жидкости.

При рассмотрении функционирования двигателя с вытеснительной системой подачи топлива из схемы на рис. 1 исключается ТНА, а компоненты топлива поступают из баков прямо на главные клапаны ЖРД (9) и (10). Давление в топливных баках при вытеснительной подаче должно быть выше, чем в камере сгорания, баки - прочнее (и тяжелее), чем в случае насосной топливной системы. На практике давление в камере сгорания двигателя с вытеснительной подачей топлива ограничивается величинами 10 - 15 ат. Обычно такие двигатели имеют сравнительно небольшую тягу (в пределах 10 т). Преимуществами вытеснительной системы является простота конструкции и скорость реакции двигателя на команду пуска, особенно, в случае использования самовоспламеняющихся компонентов топлива. Такие двигатели служат для выполнения маневров космических аппаратов в космическом пространстве. Вытеснительная система была применена во всех трёх двигательных установках лунного корабля Аполлон - служебной (тяга 9 760 кГс), посадочной (тяга 4 760 кГс), и взлётной (тяга 1 950 кГс).

Форсуночная головка - узел, в котором смонтированы форсунки , предназначенные для впрыска компонентов топлива в камеру сгорания. Главное требование, предъявляемое к форсункам - максимально быстрое и тщательное перемешивание компонентов при поступлении в камеру, потому что от этого зависит скорость их воспламенения и сгорания.
Через Форсуночную головку двигателя F-1 (англ.) , например, в камеру сгорания ежесекундно поступает 1,8 т жидкого кислорода и 0,9 т керосина. И время нахождения каждой порции этого топлива и продуктов его сгорания в камере исчисляется миллисекундами . За это время топливо должно сгореть насколько возможно полнее, так как несгоревшее топливо - это потеря тяги и удельного импульса . Решение этой проблемы достигается рядом мер:

• Максимальное увеличение числа форсунок в головке, с пропорциональной минимизацией расхода через одну форсунку. (В форсуночной головке двигателя устанавливается 2600 форсунок для кислорода и 3700 форсунок для керосина).
• Специальная геометрия расположения форсунок в головке и порядок чередования форсунок горючего и окислителя .
• Специальная форма канала форсунки, благодаря которой при движении по каналу жидкости сообщается вращение, и при поступлении в камеру она разбрасывается в стороны центробежной силой .

Система охлаждения

Ввиду стремительности процессов, происходящих в камере сгорания ЖРД, лишь ничтожная часть (доли процента) всей теплоты, вырабатываемой в камере, передаётся конструкции двигателя, однако, ввиду высокой температуры горения (иногда - свыше 3000°К), и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя, поэтому проблема охлаждения ЖРД весьма актуальна.

Для ЖРД с насосной подачей топлива в основном применяются два метода охлаждения стенок камеры ЖРД: регенеративное охлаждение и пристенный слой , которые часто используются совместно. Для небольших двигателей с вытеснительной топливной системой часто применяется абляционный метод охлаждения.

Регенеративное охлаждение состоит в том, что в стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой, части сопла тем или иным способом создается полость (иногда называемая «рубашкой охлаждения»), через которую перед поступлением в смесительную головку проходит один из компонентов топлива (обычно - горючее), охлаждая, таким образом, стенку камеры. Тепло, поглощённое охлаждающим компонентом, возвращается в камеру вместе с самим теплоносителем, что и оправдывает название системы - «регенеративная».

Разработаны разные технологические приёмы для создания рубашки охлаждения. Камера ЖРД ракеты Фау-2 , например, состояла из двух стальных оболочек, внутренней и внешней, повторявших форму друг друга. По зазору между этими оболочками проходил охлаждающий компонент (этанол). Из-за технологических отклонений толщины зазора возникали неравномерности течения жидкости, в результате создавались локальные зоны перегрева внутренней оболочки, которая часто «прогорала» в этих зонах, с катастрофическими последствиями.

В современных двигателях внутренняя часть стенки камеры изготовляется из высокотеплопроводных бронзовых сплавов. В ней создаются узкие тонкостенные каналы методом фрезерования (15Д520 РН 11К77 Зенит , РН 11К25 Энергия), или травления кислотой (SSME Space Shuttle). Снаружи эта конструкция плотно обхватывается несущей листовой оболочкой из стали или титана , которая воспринимает силовую нагрузку внутреннего давления камеры. По каналам циркулирует охлаждающий компонент. Иногда рубашка охлаждения собирается из тонких теплопроводных трубок, для герметичности пропаянных бронзовым сплавом, но такие камеры рассчитаны на более низкое давление.

Пристенный слой (пограничный слой, американцы используют также термин «curtain» - занавеска) - это газовый слой в камере сгорания, находящийся в непосредственной близости от стенки камеры, и состоящий, преимущественно, из паров горючего . Для организации такого слоя по периферии смесительной головки устанавливаются только форсунки горючего . Ввиду избытка горючего и недостатка окислителя химическая реакция горения в пристенном слое происходит гораздо менее интенсивно, чем в центральной зоне камеры. В результате температура пристенного слоя оказывается значительно ниже, чем температура в центральной зоне камеры, и он изолирует стенку камеры от непосредственного контакта с наиболее горячими продуктами горения. Иногда, в дополнение к этому, на боковых стенках камеры устанавливаются форсунки, выводящие часть горючего в камеру прямо из рубашки охлаждения, также с целью создания пристенного слоя.

Запуск ЖРД

Запуск ЖРД - ответственная операция, чреватая тяжёлыми последствиями в случае возникновения нештатных ситуаций в ходе её выполнения.

Если компоненты топлива являются самовоспламеняющимися , то есть вступающими в химическую реакцию горения при физическом контакте друг с другом (например, гептил /азотная кислота), инициация процесса горения не вызывает проблем. Но в случае, когда компоненты не являются таковыми, необходим внешний инициатор воспламенения, действие которого должно быть точно согласовано с подачей компонентов топлива в камеру сгорания. Несгоревшая топливная смесь - это взрывчатка большой разрушительной силы, и накопление её в камере грозит тяжёлой аварией.

После воспламенения топлива поддержание непрерывного процесса его горения происходит само собой: топливо, вновь поступающее в камеру сгорания воспламеняется за счёт высокой температуры, созданной при сгорании ранее введённых порций.

Для первоначального воспламенения топлива в камере сгорания при запуске ЖРД используются разные методы:

• Использование самовоспламеняющихся компонентов (как правило, на основе фосфоросодержащих пусковых горючих, самовоспламеняющихся при взаимодействии с кислородом), которые в самом начале процесса запуска двигателя вводятся в камеру через специальные, дополнительные форсунки из вспомогательной топливной системы, а после начала горения подаются основные компоненты. Наличие дополнительной топливной системы усложняет устройство двигателя, зато позволяет его неоднократный повторный запуск.
• Электрический воспламенитель, размещаемый в камере сгорания вблизи смесительной головки, который при включении создаёт электрическую дугу или серию искровых разрядов высокого напряжения. Такой воспламенитель - одноразовый. После воспламенения топлива он сгорает.
• Пиротехнический воспламенитель. Вблизи смесительной головки в камере размещается небольшая пиротехническая шашка зажигательного действия, которая поджигается электрическим запалом .

Автоматика запуска двигателя согласовывает по времени действие воспламенителя и подачу топлива.

Запуск больших ЖРД с насосной топливной системой состоит из нескольких стадий: сначала запускается и набирает обороты ТНА (этот процесс также может состоять из нескольких фаз), затем включаются главные клапаны ЖРД, как правило, в две или больше ступеней с постепенным набором тяги от ступени к ступени до нормальной.

Для относительно небольших двигателей практикуется запуск с выходом ЖРД сразу на 100 % тяги, называемый «пушечным».

Система автоматического управления ЖРД

Современный ЖРД снабжается довольно сложной автоматикой, которая должна выполнять следующие задачи:

• Безопасный пуск двигателя и вывод его на основной режим.
• Поддержание стабильного режима работы.
• Изменение тяги в соответствии с программой полёта или по команде внешних систем управления.
• Отключение двигателя по достижении ракетой заданной орбиты (траектории).
• Регулирование соотношения расхода компонентов.

Из-за технологического разброса гидравлических сопротивлений трактов горючего и окислителя соотношение расходов компонентов у реального двигателя отличается от расчётного, что влечёт за собой снижение тяги и удельного импульса по отношению к расчётным значениям. В результате ракета может так и не выполнить свою задачу, израсходовав полностью один из компонентов топлива. На заре ракетостроения с этим боролись, создавая гарантийный запас топлива (ракету заправляют большим, чем расчётное, количеством топлива, чтобы его хватило при любых отклонениях реальных условий полёта от расчётных). Гарантийный запас топлива создаётся за счёт полезного груза. В настоящее время большие ракеты оборудуются системой автоматического регулирования соотношения расхода компонентов, которая позволяет поддерживать это соотношение близким к расчётному, сократить, таким образом, гарантийный запас топлива, и соответственно увеличить массу полезной нагрузки.

Система автоматического управления двигательной установкой включает в себя датчики давления и расхода в разных точках топливной системы, а исполнительными органами её являются главные клапаны ЖРД и клапаны управления турбиной (на рис.1 - позиции 7, 8, 9 и 10).

Компоненты топлива

Выбор компонентов топлива является одним из важнейших решений при проектировании ЖРД, предопределяющий многие детали конструкции двигателя и последующие технические решения. Поэтому выбор топлива для ЖРД выполняется при всестороннем рассмотрении назначения двигателя и ракеты, на которой он устанавливается, условий их функционирования, технологии производства, хранения, транспортировки к месту старта и т. п.

Одним из важнейших показателей, характеризующих сочетание компонентов является удельный импульс , который имеет особенно важное значение при проектировании ракет-носителей космических аппаратов, так как от него в сильнейшей степени зависит соотношение массы топлива и полезного груза, а следовательно, размеры и масса всей ракеты (см. Формула Циолковского), которые при недостаточно высоком значении удельного импульса могут оказаться нереальными. В таблице 1 приведены основные характеристики некоторых сочетаний компонентов жидкого топлива.

Таблица 1.

Окислитель	Горючее	Усреднённая плотность топлива , г /см³	Температура в камере сгорания, °К	Пустотный удельный импульс, с
Кислород	Водород	0,3155	3250	428
	Керосин	1,036	3755	335
		0,9915	3670	344
	Гидразин	1,0715	3446	346
	Аммиак	0,8393	3070	323
Тетраоксид диазота	Керосин	1,269	3516	309
	Несимметричный диметилгидразин	1,185	3469	318
	Гидразин	1,228	3287	322
Фтор	Водород	0,621	4707	449
	Гидразин	1,314	4775	402
	Пентаборан	1,199	4807	361

Однокомпонентнымми являются и реактивные двигатели, работающие на сжатом холодном газе (например, воздухе или азоте). Такие двигатели называются газореактивными и состоят из клапана и сопла. Газореактивные двигатели применяются там, где недопустимо тепловое и химическое воздействие выхлопной струи, и где основным требованием является простота конструкции. Этим требованиям должны удовлетворять, например, индивидуальные устройства перемещения и маневрирования космонавтов (УПМК), расположенные в ранце за спиной и предназначенные для перемещения при работах вне космического корабля. УПМК работают от двух баллонов со сжатым азотом, который подается через соленоидные клапаны в двигательную установку, состоящую из 16 двигателей.

Трёхкомпонентные ЖРД

С начала 1970-х годов в СССР и США изучалась концепция трехкомпонентных двигателей, которые сочетали бы в себе высокое значение удельного импульса при использовании в качестве горючего водорода, и более высокую усреднённую плотность топлива (а, следовательно, меньший объём и вес топливных баков), характерную для углеводородного горючего. При запуске такой двигатель работал бы на кислороде и керосине, а на больших высотах переключался на использование жидких кислорода и водорода. Такой подход, возможно, позволит создать одноступенчатый космический носитель. Российским примером трехкомпонентного двигателя является ЖРД РД-701 , который был разработан для многоразовой транспортно-космической системы МАКС .

Возможно также использование двух топлив одновременно - например водород-бериллий-кислород и водород-литий-фтор (бериллий и литий горят, а водород по большей части используется как рабочее тело), что позволяет достичь значений удельного импульса в районе 550-560 секунд, однако технически очень сложно и никогда не использовалось на практике.

Управление ракетой

В жидкостных ракетах двигатели часто помимо основной функции - создания тяги, выполняют также роль органов управления полётом. Уже первая управляемая баллистическая ракета Фау-2 управлялась с помощью 4 графитных газодинамических рулей, помещённых в реактивную струю двигателя по периферии сопла. Отклоняясь, эти рули отклоняли часть реактивной струи, что изменяло направление вектора тяги двигателя, и создавало момент силы относительно центра масс ракеты, что и являлось управляющим воздействием. Этот способ заметно снижает тягу двигателя, к тому же графитные рули в реактивной струе подвержены сильной эрозии и имеют очень малый временной ресурс.
В современных системах управления ракетами используются поворотные камеры ЖРД, которые крепятся к несущим элементам корпуса ракеты с помощью шарниров, позволяющих поворачивать камеру в одной или в двух плоскостях. Компоненты топлива подводятся к камере с помощью гибких трубопроводов - сильфонов . При отклонении камеры от оси, параллельной оси ракеты, тяга камеры создаёт требуемый управляющий момент силы. Поворачиваются камеры гидравлическими или пневматическими рулевыми машинками, которые исполняют команды, вырабатываемые системой управления ракетой.
В отечественном космическом носителе Союз (см.фото в заголовке статьи) помимо 20 основных, неподвижных камер двигательной установки имеются 12 поворотных (каждая - в своей плоскости), управляющих камер меньшего размера. Рулевые камеры имеют общую топливную систему с основными двигателями.
Из 11 маршевых двигателей (всех ступеней) ракеты-носителя Сатурн-5 девять (кроме центральных 1-й и 2-й ступеней) являются поворотными, каждый - в двух плоскостях. При использовании основных двигателей в качестве управляющих рабочий диапазон поворота камеры составляет не более ±5°: ввиду большой тяги основной камеры и расположения её в кормовом отсеке, то есть на значительном расстоянии от центра масс ракеты, даже небольшое отклонение камеры создаёт значительный управляющий