Вопрос снижения стоимости запусков ракет-носителей стоял всегда. Во времена космической гонки СССР и США мало задумывались о затратах - престиж страны стоил неизмеримо дороже. Сегодня сокращение расходов «по всем фронтам» стало общемировым трендом. Топливо составляет всего 0,2…0,3% от стоимости всей ракеты-носителя, но кроме стоимости топлива важен еще такой параметр, как его доступность. А здесь уже есть вопросы. За последние 50 лет список жидких горючих, широко использующихся в ракетно-космической отрасли мало изменился. Давайте же их перечислим: керосин, водород и гептил. Каждое из них имеет свои особенности и по-своему интересно, но у всех есть хотя бы один серьёзный недостаток. Вкратце рассмотрим каждое из них.

Керосин

Начал применяться ещё в 50-х годах и остаётся востребован и по сей день - именно на нём летают наша Ангара и Falcon 9 от SpaceX . Обладает множеством преимуществ, среди которых: высокая плотность, низкая токсичность, обеспечивает высокий удельный импульс, пока что приемлемая цена. Но производство керосина сегодня сопряжено с большими трудностями. Например, ракеты Союз, которые делают в Самаре, сейчас летают на искусственно созданном горючем, потому что изначально для создания керосина для этих ракет использовались только определенные сорта нефти из конкретных скважин. В основном это нефть Анастасиевско-Троицкого месторождения в Краснодарском крае. Но нефтяные скважины истощаются, и ныне используемый керосин является смешением композиций, которые добываются из нескольких скважин. Заветную марку РГ-1 получают с помощью дорогостоящей перегонки. По оценкам экспертов, проблема дефицита керосина будет только усугубляться.

«Ангара 1.1» на керосиновом двигателе РД-193

Водород

Сегодня водород, наряду с метаном, является одним из самых перспективных ракетных горючих. На нём летает сразу несколько современных ракет и разгонных блоков. В паре с кислородом он (после фтора) выдаёт самый высокий удельный импульс и для использования в верхних ступенях ракеты (или разгонных блоках) подходит идеально. Но чрезвычайно низкая плотность не позволяет в полной мере использовать его для первых ступеней ракет. Есть у него ещё один недостаток - высокая криогенность. Если ракета заправлена водородом, то он находится при температуре около 15 кельвинов (-258 по Цельсию). Это приводит к дополнительным затратам. Если сравнивать в керосином, то доступность водорода достаточно высока и его получение не является проблемой.

«Delta-IV Heavy» на водородных двигателях RS-68A

Гептил

Он же НДМГ или несимметричный диметилгидразин. У этого горючего всё ещё остаются сферы применения, но оно постепенно отходит на задний план. И причиной тому его высокая токсичность. Он обладает почти такими же, как керосин энергетическими показателями и является высококипящим компонентом (хранение при комнатной температуре) и, поэтому, в советское время использовался достаточно активно. Например, ракета Протон летает на высокотоксичной паре гептил+амил, каждый из которых способен убить человека, вдохнувшего по неосторожности их пары. Использование таких топлив в современное время неоправдано и является неприемлемым. Горючее находит применение в спутниках и межпланетных зондах, где оно, к сожалению, незаменимо.

«Протон-М» на гептиловых двигателях РД-253

Метан как альтернатива

Но есть ли топливо, которое удовлетворит всех и будет стоить дешевле всех? Возможно, это метан. Тот самый голубой газ, на котором некоторые из вас сегодня готовили пищу. Предлагаемое горючее является перспективным, активно осваивается другими отраслями промышленности, обладает более широкой сырьевой базой по сравнению с керосином и низкой стоимостью - это является важным моментом, учитывая прогнозируемые проблемы производства керосина. Метан как по плотности, так и по эффективности находится между керосином и водородом. Способы получения метана многочисленны. Главный источник метана природный газ, который состоит на 80..96% из метана. Остальное - это пропан, бутан и другие газы того же ряда, которые можно вообще не удалять, они очень схожи по свойствам с метаном. Другими словами, можно просто сжижать природный газ и использовать его как ракетное топливо. Метан можно получать и из других источников, например, переработкой отходов животноводства. Возможность использования метана в качестве ракетного топлива рассматривается уже на протяжении десятков лет, однако сейчас есть только стендовые варианты и экспериментальные образцы таких двигателей. Например, в химкинском НПО «Энергомаш» исследования в части использования сжиженного газа в двигателях велись с 1981 года. Прорабатываемая сейчас в «Энергомаше» концепция предусматривает разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород - сжиженный метан» для первой ступени перспективного носителя легкого класса. Космическая техника ближайшего будущего обещает быть многоразовой. И тут открывается ещё одно преимущество метана. Он криогенный, а, значит, достаточно нагреть двигатель хотя бы до температуры -160 по Цельсию (а лучше выше) и двигатель сам освободится от компонентов топлива. По мнению специалистов он более всего подходит для создания многоразовых ракет-носителей. Вот что о метане думает главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:

Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения - то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.

Ещё один довод в пользу использования метана - возможность добывать его на астероидах, планетах и их спутниках, обеспечивая возвращаемые миссии топливом. Там намного легче добывать метан, чем керосин. Естественно, о возможности привозить топливо с собой не может быть и речи. Перспектива таких дальних миссий, весьма отдалённая, но некоторые работы уже ведутся.

Будущее, которое так и не наступило

Так почему же метан в России так и не стал практически используемым горючим? Ответ достаточно прост. С начала 80-х в СССР, а потом и в России не было создано ни одного нового ракетного двигателя. Все российские «новинки» - это модернизация и переименование советского наследия. Единственный честно созданный комплекс - «Ангара» - с самого начала планировался как керосиновый транспорт. Его переделка обойдётся в копеечку. Вообще, Роскосмос постоянно отклоняет метановые проекты потому, что там связывают «добро» на хотя бы один подобный проект с «добром» на полную перестройку отрасли с керосина и гептила на метан, что считается долгим и дорогостоящим мероприятием.

Двигатели

На данный момент есть несколько компаний, заявляющих о скором использовании метана в своих ракетах. Двигатели, которые создаются:

• КВРД FRE-1 от Firefly Space Systems ;
• Blue Engine 4 (BE-4) от Blue Origin;
• С5.86 от КБХМ им. Исаева;
• Раптор (Merlin 2 ?) от SpaceX ;
• Пока безымянный двигатель от НПО «Энергомаш» на основе их универсальной ракетной камеры;
• РД0110МД, РД0162, созданные в Конструкторском бюро химавтоматики .

FRE-1 /

Главная Энциклопедия Словари Подробнее

Ракетное топливо (РТ)

Вещество или совокупность веществ, являющихся источником энергии и рабочего тела для создания реактивной силы в ракетном двигателе (РД). По виду источника энергии различают химические и ядерные РТ. Наибольшее практическое применение для РД межконтинентальных баллистических ракет (МБР), используемых в РВСН, получили химические РТ, являющиеся одновременно источником энергии, выделяемой за счет экзотермических реакций горения, и источником рабочего тела, в качестве которого выступают продукты сгорания топлива. Химические РТ по агрегатному состоянию разделяются на жидкие (ЖРТ), твердые (ТРТ) и смешанного агрегатного состава.

ЖРТ - ракетные топлива, находящиеся в жидком агрегатном состоянии в условиях эксплуатации. ЖРТ подразделяются на однокомпонентные (унитарные) и двухкомпонентные, называемые также топливами раздельной подачи. В качестве однокомпонентных ЖРТ могут рассматриваться химические вещества или их смеси, способные в определенных условиях к химическим реакциям распада или горения с выделением тепловой энергии. К таким веществам относятся, например, гидразин N2H4, пероксид водорода Н2О2, этиленоксид СН2СН2О и др. Однокомпонентные ЖРТ используются в ЖРД малой тяги, в качестве топлив для РД систем управления и ориентации, а также для газогенерирующих систем. Двухкомпонентные ЖРТ состоят из окислителя и горючего. В качестве окислителей используются вещества, содержащие преимущественно атомы окислительных элементов. К таким веществам относятся жидкие фтор F2 и кислород О2, концентрированная азотная кислота HNO3, азотный тетраоксид N2O4. Наиболее эффективными горючими ЖРТ являются жидкий водород Н2, керосин Т-1 (фракция с пределами выкипания 150...280°С), гидразин N2H4, несимметричный диметилгидразин H2NN(CH3)2 (НДМГ). В качестве горючих могут использоваться также металлы Mg, Al и их гидриды, вводимые в состав жидких горючих в виде дисперсных порошков с образованием гелей. При подаче в камеру сгорания РД компоненты ЖРТ могут самовоспламеняться (например, N2O4 + H2NN(CH3)2) или не самовоспламеняться (ж.H2+ж.О2). В последнем случае используются специальные системы воспламенения или специальные пусковые топлива. Двухкомпонентные ЖРТ используются преимущественно в маршевых двигателях ракет и их ступеней. Для придания ЖРТ комплекса требуемых свойств в компоненты топлива обычно вводят специальные присадки, способствующие, например, повышению стабильности физико-химических свойств компонентов при хранении или эксплуатации. Основным достоинством ЖРТ, определяющим целесообразность их использования, является возможность получения высокого уровня энергетических характеристик.

Например, для топлива на основе жидких О2 и Н2 при рк/pа=7/0,1 МПа реализуется удельный импульс до 3835 м/с тогда как для наиболее высокоэнергетических твердых топлив его значение не превышает 3000 м/с в сопоставимых условиях.

Компоненты ЖРТ разделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящий компонент - это компонент ЖРТ, имеющий температуру кипения выше 298К при стандартных условиях. Высококипящие компоненты в интервале температур эксплуатации представляют собой жидкости. К высококипящим компонентам относятся азотнокислотные окислители, азотный тетраоксид а также целый ряд широко используемых горючих - керосин Т-1, несимметричный диметилгидразин и др.

Низкокипящий компонент - это компонент ЖРТ, имеющий температуру кипения ниже 298К при стандартных условиях. В интервале температур эксплуатации ракетной техники низкокипящие компоненты обычно находятся в газообразном состоянии. Для содержания низкокипящих компонентов в жидком состоянии используется специальное технологическое оборудование. Среди низкокипящих компонентов выделяют так называемые криогенные компоненты, имеющие температуру кипения ниже 120К. К криогенным компонентам относятся сжиженные газы: кислород, водород, фтор и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

ТРТ - гомогенные или гетерогенные взрывчатые системы, способные к самостоятельному горению в широком диапазоне давлений (0,1...100 МПа) с выделением значительного количества тепла и газообразных продуктов горения. По химическому составу и способу производства подразделяются на баллиститные и смесевые. Структурно-энергетической основой баллиститов являются нитраты целлюлозы - коллоксилины с содержанием азота около 12%, пластифицированные труднолетучими активными растворителями (нитроглицерином, динитратдиэтиленгликолем) или другими жидкими нитроэфирами. В состав баллиститов могут вводиться мощные взрывчатые вещества (МВВ) - октоген или гексоген, а также входят также стабилизаторы химической стойкости, стабилизаторы горения, модификаторы горения, технологические и энергетические добавки (порошки Al, Mg или их сплавы). Баллиститы представляют собой твердые растворы, находящиеся в интервале температур эксплуатации в стеклообразном физическом состоянии.

Смесевые ТРТ это гетерогенные смеси окислителя (преимущественно перхлората аммония NH4ClO4, перхлората калия КСlO4 или нитрата аммония NH4NO3) и горючего-связующего, представляющего собой пластифицированный полимер (например, бутилкаучук, полибутадиен, полиуретан) с ингредиентами системы отверждения, технологическими и специальными добавками. В состав смесевых ТРТ для повышения их энергетических характеристик могут вводиться мощные бризантные ВВ (гексоген или октоген) в количестве до 50% и до 20% металлических горючих (Al, Mg или их гидридов). Регулирование баллистических характеристик (скорости горения и ее зависимости от различных факторов) ТРТ обычно осуществляется изменением дисперсности порошкообразных компонентов или введением в состав топлив модификаторов горения. Компоненты смесевых ТРТ обычно выполняют несколько функций: окислители являются наполнителями полимерной матрицы, обеспечивают необходимый уровень баллистических и энергомассовых характеристик; горючие, представляющие собой в большинстве случаев пластифицированные полимеры, обеспечивают монолитность твердотопливного заряда и необходимый уровень его механических характеристик; металлическое горючее предназначено для увеличения плотности топлива и повышения его энергетических возможностей.

Определенное по массе количество ТРТ, являющееся основным источником энергии и рабочего тела, имеющее заданные форму, размеры и начальную поверхность горения называется зарядом твердого топлива (ЗТТ). Применительно к РДТТ под ЗТТ понимают часть РД, обеспечивающую требуемый закон газообразования рабочего тела. По методу монтажа в камере РДТТ заряды подразделяются на вкладные, прочноскрепленные литые в корпус и литые в корпус, раскрепленные с помощью манжет.

В диапазоне температур эксплуатации смесевые ТРТ находятся в высокоэластическом состоянии. ТРТ по сравнению с ЖРТ более просты в эксплуатации, но уступают им по энергетическим характеристикам.

Топлива смешанного агрегатного состава (гибридные) представляют собой двухкомпонентные РТ, в которых компоненты, находясь в различных агрегатных состояниях, могут быть жидкими, твердыми или газообразными. Из-за сложности компоновки РД гибридные РТ используются ограниченно.

В РД МБР РВСН используются как высококипящие самовоспламеняющиеся ЖРТ (преимущественно, N2O4+H2NN(CH3)2), так и смесевые ТРТ. ЖРТ используются в РД ампулизированных ракет шахтного базирования, а ТРТ в РД ракет как шахтного, так и подвижного базирования.

Табл. 1. Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при p к /p а =7/0,1 МПа

Табл. 2. Принципиальный состав и основные характеристики баллиститных ТРТ

Топливо для жидкостно-реактивного двигателя

Важнейшие свойства и характеристики жидкостно-реактивного двигателя, да и сама конструкция его, прежде всего зависят от топлива, которое применяется в двигателе.

Основным требованием, которое предъявляется к топливу для ЖРД, является высокая теплотворная способность, т. е. большое количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива. Чем больше теплотворная способность, тем, при прочих равных условиях, больше скорость истечения и тяга двигателя. Более правильным является сравнение различных теплив не по их калорийности, а непосредственно по скорости истечения, которую они обеспечивают в равных условиях, или, что то же самое, по удельной тяге.

Помимо этого главного свойства топлив для ЖРД к ним обычно предъявляются и некоторые другие требования. Так например, большое значение имеет удельный вес топлива, так как запас топлива на самолете или ракете обычно ограничивается не его весом, а объемом топливных баков. Поэтому чем плотнее топливо, т. е. чем больше его удельный вес, тем больше по весу войдет топлива в те же топливные баки и, следовательно, будет больше продолжительность полета. Важно также, чтобы топливо не вызывало коррозии, т. е. разъедания ржавчиной, деталей двигателя, было просто и безопасно в хранении и перевозке, не было дефицитным по источникам сырья.

Наиболее часто в настоящее время в ЖРД применяются так называемые двухкомпонентные топлива, т. е. топлива раздельной подачи. Эти топлива состоят из двух жидкостей, хранящихся в отдельных баках; одна из этих жидкостей, обычно называемая горючим, чаще всего представляет собой вещество, принадлежащее к классу углеводородов, т. е. состоит из атомов углерода и водорода, а иногда содержит и атомы иных химических элементов - кислорода, азота и других. Горючим этот компонент (составную часть) топлива называют потому, что при его сгорании, т. е. соединении с кислородом, выделяется значительное количество тепла.

Другой компонент топлива, так называемый окислитель, содержит кислород, необходимый для сгорания, т. е. окисления горючего, почему этот компонент и получил название окислителя. Окислителем может служить чистый кислород в жидком состоянии, а также озон или какой-либо кислородоноситель, т. е. вещество, содержащее кислород в химически связанном виде: например, перекись водорода, азотная кислота и другие кислородные соединения. Как известно, в воздушно-реактивных двигателях, как и в обычных двигателях внутреннего сгорания, окислителем служит кислород атмосферы.

В случае двухкомпонентного топлива обе жидкости по отдельным трубопроводам подаются в камеру сгорания, где и происходит процесс горения, т. е. окисления горючего кислородом окислителя. При этом выделяется большое количество тепла, вследствие чего газообразные продукты сгорания приобретают высокую температуру.

Наряду с двухкомпонентными топливами существуют и так называемые однокомпонентные, или унитарные, топлива, т. е. топлива, представляющие собой одну жидкость. Однокомпонентным топливом может служить либо смесь двух веществ, реагирующих лишь в определенных условиях, которые создаются в камере, либо какое-нибудь химическое вещество, при некоторых условиях, обычно в присутствии соответствующего катализатора, разлагающееся с выделением тепла. Таким однокомпонентным топливом является, например, высоко-концентрированная (крепкая) перекись водорода.

Перекись водорода в качестве однокомпонентного топлива имеет лишь ограниченное применение. Это объясняется тем, что при реакции разложения перекиси водорода с образованием паров воды и газообразного кислорода выделяется лишь сравнительно небольшое количество тепла. Вследствие этого скорость истечения оказывается относительно невысокой, практически она не превышает 1200 м/сек . Так как температура реакции разложения невелика (около 500 °C), то такую реакцию обычно называют «холодной», в отличие от реакций со сгоранием, хотя бы с той же перекисью водорода в качестве окислителя, когда температура бывает в несколько раз больше («горячие» реакции). Мы потом познакомимся со случаями использования «холодной» реакции разложения перекиси водорода.

Практически все существующие жидкостно-реактивные двигатели работают на двухкомпонентном топливе. Однокомпонентные топлива не применяются, так как при значительной теплотворной способности, большей чем 800 кал/кг , они взрывоопасны. Состав топлива, т. е. выбор определенной пары «горючее-окислитель», может быть при этом самым различным, хотя в настоящее время предпочтение отдается нескольким определенным комбинациям, получившим наиболее широкое применение. Вместе с тем производятся энергичные поиски лучших топлив для ЖРД, и в этом отношении действительно имеются огромные возможности.

Применяемые в настоящее время двухкомпонентные топлива обычно делятся на самореагирующие, или самовоспламеняющиеся, и несамореагирующие, или топлива принудительного зажигания. Самовоспламеняющееся топливо, как показывает само название, состоит из таких компонентов «горючее - окислитель», которые при смешении их в камере сгорания двигателя самовоспламеняются. Реакция горения начинается сразу же после соприкосновения обоих компонентов и идет до полного израсходования одного из них. Несамовоспламеняющееся топливо требует специальных приспособлений для воспламенения смеси, т. е. для начала реакции горения. Эти запальные приспособления - впрыск каких-нибудь самовоспламеняющихся жидкостей, различные пиротехнические запалы, для сравнительно маломощных двигателей - электрическое зажигание и другие, - необходимы, однако, только при запуске двигателя, так как затем новые порции топлива, поступающего в камеру сгорания, воспламеняются от уже существующего в камере постоянного очага горения или, как говорят, факела пламени.

В настоящее время применяются как самовоспламеняющиеся, так и несамовоспламеняющиеся топлива и отдать предпочтение какому-либо одному из этих двух видов затруднительно, так как обоим типам топлива свойственны серьезные недостатки.

Несамовоспламеняющиеся топлива представляют большую опасность в эксплоатации, так как из-за неполадок в зажигании при запуске двигателя или возможных перебоев в горении при его работе, в камере сгорания даже за доли секунды накапливаются большие количества топлива. Это топливо, представляющее собой сильно взрывчатую смесь, затем воспламеняется, что чаще всего ведет к взрыву и катастрофе.

С другой стороны, известные самовоспламеняющиеся топлива обычно менее калорийны, чем несамовоспламеняющиеся. Кроме того, они должны применяться совместно с добавочными веществами, обеспечивающими энергичное начало и дальнейшее протекание реакции горения. Эти добавочные вещества, так называемые инициирующие вещества и катализаторы, добавляемые либо к окислителю, либо к горючему, усложняют эксплоатацию топлива, так как оно становится при этом неоднородным (приходится считаться с расслаиванием и другими свойствами неоднородных жидкостей). Пожалуй, наибольшим недостатком этих топлив является пожарная опасность при их эксплоатации. При малейшей течи компонентов топлива на самолете или ракете может возникнуть пожар, так как компоненты при смешении воспламеняются.

Мы упомянем лишь о наиболее распространенных топливах. В качестве окислителя в настоящее время наиболее часто применяются жидкий кислород и азотная кислота; применялась также перекись водорода. Каждый из этих окислителей имеет свои достоинства и недостатки. Жидкий кислород обладает тем преимуществом, что является 100 %-ным окислителем, т. е. не содержит в себе балластного вещества, не принимающего участия в горении (что имеет место для других двух окислителей), вследствие чего для сгорания того же количества горючего жидкого кислорода требуется по весу меньше, чем других окислителей. Одним из недостатков кислорода является то, что он при обычной температуре, как известно, находится в газообразном состоянии, вследствие чего для сжижения его приходится охлаждать до температуры минус 183 °C и хранить в специальных сосудах, типа дьюаровских, таких, например, какие применяются в термосах. Даже в таких сосудах кислород быстро испаряется, до 5 % в день. Перекись водорода, применявшаяся в качестве окислителя, имела очень высокую концентрацию, до 90 %; производство перекиси такой концентрации сложно и было освоено только в связи с ее применением в качестве окислителя для ЖРД. Концентрированная перекись весьма неустойчива, т. е. разлагается при хранении, которое поэтому становится серьезной задачей - для этой цели применялись различные стабилизирующие присадки. Азотная кислота неудобна тем, что в водных растворах вызывает коррозию многих металлов (обычно она хранится в алюминиевых баках).

В качестве горючих в настоящее время чаще всего применяются погоны нефти - керосин и бензин, а также спирт. Теоретически идеальным горючим является жидкий водород, в особенности с жидким кислородом в качестве окислителя, но его не применяют, так как такое топливо представляет большую опасность и его трудно хранить, а также потому, что жидкий водород имеет очень небольшой удельный вес (он почти в 15 раз легче воды), вследствие чего требует очень больших топливных баков.

В настоящее время наиболее часто применяют в качестве топлива для ЖРД либо керосин или бензин с азотной кислотой, либо спирт с жидким кислородом. Скорость истечения, которую обеспечивают эти топлива в современных двигателях, колеблется в пределах 2000–2500 м/сек , причем топлива с азотной кислотой дают значения, приближающиеся к нижнему из указанных пределов.

Сгорание жидкого водорода в жидком кислороде теоретически дало бы наибольшее значение скорости истечения, равное 3500 м/сек. Однако действительное значение скорости истечения при таком сгорании значительно меньше из-за различных потерь, в частности, из-за так называемой термической диссоциации, т. е. распада продуктов сгорания, который происходит при высокой температуре в камере сгорания и связан с затратой тепла.

В связи с большей калорийностью (теплотворной способностью) жидких топлив по сравнению с порохом скорость истечения газов в ЖРД получается большей, чем в пороховых двигателях, именно 2000–2500 м/сек вместо 1500–2000 м/сек . Для сравнения укажем, что при сгорании бензина в воздухе в современных воздушно-реактивных двигателях скорость истечения продуктов горения не превышает 700–800 м/сек .

Следует отметить, что применяющиеся в настоящее время топлива для ЖРД обладают серьезными недостатками, в первую очередь недостаточной калорийностью, и потому не могут считаться удовлетворительными. Подбор новых, улучшенных топлив - одна из важнейших задач совершенствования ЖРД. Однако более неотложной задачей является разработка таких конструкций ЖРД, которые позволили бы полностью использовать как лучшие из существующих, так и новые, более совершенные, топлива. Важнейшее требование, которое при этом предъявляется двигателю, это надежная работа при очень высоких температурах, развивающихся при сгорании высококалорийных топлив.