«... И нет ничего нового под солнцем»

(Экклизиаст 1:9).
О топливах, ракетах, ракетных двигателях писалось, пишут и будут писать.

Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П. Глушко "Жидкое топливо для реактивных двигателей", изданную в 1936 г.




Для меня тема показалась интересной, связанной с моей бывшей специальностью и учёбой в ВУЗе, тем паче "приволок" её мой младший отпрыск: "Шеф давай замесим, что нить такое и запустим, а если лень, то мы сами "сообразим". Видимо, лавры экстремалов из "Лин Индастриал" не дают покоя.


"Соображать" будем вместе, под строгим родительским контролем. Руки ноги должны быть целыми, чужие тем более.

"Ключ на старт"... "Поехали"! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)



Какой бы тип РД (схема, характер процесса) не применялся в ракетной технике, его целевое предназначение: создание тяги (силы), путём преобразования исходной энергии, запасённой в РТ в кинетическую энергию (Ек) реактивной струи рабочего тела.
Ек реактивной струи в РД преобразуются разные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая).

Для химических двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное.

Часть №1 - топлива для ЖРД или жидкие ракетные топлива

Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):



--> Термины и сокращения .
Дополнительно (HTML-теги на TopWar не той системы, посему spoilerЫ и каты приходится так организовывать):
Удельный импульс (Iуд) .
Реактивная тяга (Р или Fр) .
Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)( подробнее-кликнуть )-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.
Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае) .
Виды топлив (в общем случае).

Химическим источником тепловой энергии для РД в общем случае можно считать химическую реакцию компонентов РТ.

Начну вещать с Km0. Это очень важное соотношение для РД: топливо может гореть по-разному в РД (химическая реакция в РД-это не обычное горение дров в камине , где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение (точнее окисление) топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.

Как засыпаться на защите курсового проекта, экзамена или сдаче зачёта . / Дмитрий Завистовский

Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ .

Важный параметр - коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой "α" с индексом "ок.") и массовое соотношение компонентов Kм.

Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.

Как правило, αок.<=1. И вот почему. Зависимости Tk(αок.) и Iуд.(αок.) нелинейны и для многих топлив последняя имеет максимум при αок. не при стехиометрическом соотношении компонентов, т.е макс. значения Iуд. получаются при некотором снижении количества окислителя по отношению к стехиометрическому. Ещё немного терпения, т.к. не могу обойти понятие: энтальпии . Это пригодится и в статье, и в повседневной жизни.

Кратко энтальпия – это энергия. Для статьи важны две её "ипостаси":
Термодинамическая энтальпия- количество энергии, затраченной на образование вещества из исходных химических элементов. Для веществ, состоящих из одинаковых молекул (H2, O2 и пр.), она равна нулю.
Энтальпия сгорания- имеет смысл только при условии протекания химической реакции. В справочниках можно найти экспериментально полученные при нормальных условиях значения этой величины. Чаще всего для горючих это полное окисление в среде кислорода, для окислителей – окисление водорода заданным окислителем. Причем значения могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от вида реакции.

"Сумму термодинамической энтальпии и энтальпии сгорания называют полной энтальпией вещества. Собственно, этой величиной и оперируют при тепловом расчёте камер ЖРД."


Такая градация относительна условна, но в принципе отражает суть. Назову эти требования так: №1, №2, №3. Кто-то может дополнить список в комментариях.
Эти требования классический пример "Лебедь рак и щука" , которые "тянут" создателей РД в разные стороны:

# С точки зрения источника энергии ЖРД (№1)

Т.е. необходимо получить макс. Iуд. Не буду дальше забивать головы всем, в общем случае:


При прочих важных параметрах для №1 нас интересует R и Т (со всеми индексами).
Нужно, чтобы: молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание.

# С точки зрения конструктора РН (№2):

ТК должны иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях ракет, т.к. они самые объёмные и имеют мощнейшие РД, с большим секундным расходом. Очевидно, что это не согласуется с требованием под №1.

# С эксплуатационных задач важны (№3):

-химическая стабильность ТК;
-простота заправки, хранения, перевозки и изготовления;
-экологическая безопасность (во всём "поле" применения), а именно токсичность, себестоимость производства и транспортировки и т.д. и безопасность при работе РД (взрывоопасность).








Конечно, это лишь вершина айсберга. Ещё влезают сюда дополнительные требования, из-за которых следует искать КОНСЕНСУСЫ и КОМПРОМИСЫ. Один из компонентов обязательно должен иметь удовлетворительные (лучше отличные) свойства охладителя, т.к. на данном уровне технологий приходится охлаждать КС и сопло, а также защитить критическое сечение РД:



На фотографии сопло ЖРД XLR-99: отчётливо видна характерная особенность конструкции американских ЖРД 50-60 годов – трубчатая камера:



Также требуется (как правило) один из компонентов использовать как рабочее тело для турбины ТНА:



Для топливных компонентов "большое значение имеет давление насыщенных паров (это грубо говоря давление, при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков."/ С.С. Факас/



Важный фактор-агрессивность ТК к материалам (КМ) ЖРД и баков для их хранения.
Если ТК очень "вредные" (как некоторые люди), тогда инженерам приходится тратиться на ряд специальных мер по защите своих конструкций от топлива.



- самовоспламеняемость компонентов топлива как двуликий Янус : иногда необходима, а бывает, что и вредит. Есть еще противное свойство: взрывоопасность
Для многих отраслей использования ракет (военное применение или дальний космос)

требуется, чтобы топливо было химически стабильным, а его хранение, заправка (в общем всё, что называется: логистика) и утилизация не вызывали "головную боль" у эксплуатантов и окружающей среды.



Важный параметр - токсичность продуктов сгорания. Сейчас он очень актуален.



Себестоимость производства как самих ТК, так и баков и КМ, удовлетворяющих свойствам (порой агрессивным) этих компонентов: нагрузка на экономику страны, претендующей на роль "космического извозчика".




Этих требований много и как правило они антогоничны друг другу.

Вывод: топливо или его компоненты должны иметь (или обладать):

Целый ворох проблем и требований: вязкость, Т плавления и застывания, Т кипения, испаряемость, упругость пара и скрытая теплота парообразования и т.д. и т.п.

Компромиссы ярко проявляют себя по Iуд.: ТК большой плотности (керосин+LOX), как правило, применяются на нижних ступенях РН, хотя они и проигрывают тому же LН2 и LOX, которые в свою очередь используются на верхних ступенях РН ("Энергия" 11К25).


И опять же прекрасная пара LН2+LOX не может быть использована для дальнего космоса или для долговременного пребывания на орбите («Вояджер-2», разгонный блок "Бриз-М", МКС и т.д.)

Потрясающий момент отстыковки метеорологического спутника GOES-R от разгонного блока Centaur ракеты-носителя Atlas V 541 ( GOES-R Spacecraft Separation )

Классификация ЖРТ - чаще всего по давлению насыщенных паров или температуре тройной точки , а проще говоря - температуре кипения при нормальном давлении.

Высококипящие компоненты ЖРТ.

Chemical substance имеющие максимальную эксплуатационную температуру, при которой давление насыщенных паров (буду именовать далее Рнп) в баках ракеты существенно ниже допустимого уровня давления в баках по их конструкционной прочности.
Пример:
Соответственно они хранятся без особых манипуляций с охлаждением баков.



Мне лично больше нравится термин -"тара". Хотя это и не совсем корректно, но зато приближено к бытовому значению. Это, т.н. долгохранящиеся ТК.

Низкокипящие компоненты ЖРТ.

Здесь уже Рнп близко к максимально допустимому давлению в баках (по критерию их прочности). Хранение в герметичных баках без специальных мероприятий мер по охлаждению (и/или захолаживанию) и возврату конденсата нельзя. Такие же требования (и проблемы) с арматурой ЖРД и трубопроводами заправки/слива.

Пример:



Министерство Обороны РФ (МО РФ) считает низкокипящими компонентами все, температура кипения которых ниже 298К при стандартных условиях.


Криогенные компоненты ЖРТ.

Собственно говоря, это подкласс низкокипящих компонентов. Т.е. вещества, 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.


Требуются специальные меры при транспортировке, заправке (захолаживание баков и магистралей, теплоизоляция арматуры ЖРД и т.д.) и сливе.



Температура их критической точки значительно ниже эксплуатационной. Хранение в герметичных баках РН невозможно или сильно затруднено. Типичные представители кислород и водород в жидком фазовом состоянии.
Далее буду использовать американскую манеру их обозначения LOX и LН2 соответственно.Или так ЖК и ЖВ.
Наш "красавчик" РД-0120 (водород-кислород):

Видно, что он снаружи (арматура, магистрали) полностью залит теплоизоляционным материалом.

Когда компоненты РТ встречаются в КС ЖРД (по "умному" вступают в реакцию), их следует разделять на:

СТК: при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии воспламеняются (во всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур).
Это значительно упрощает систему поджига РД, однако если компоненты встретятся вне камеры сгорания (протечки, аварии) - то будет пожар, или большой "бабах". Тушение затруднено.



Пример:N204 (азотный тетраксид) + ММГ (монометилгидразин), N204 + N2Н4 (гидразин), N2О4+ НДМГ и все топлива на основе фтора.

ОСТК: здесь для воспламенения необходимо принимать специальные меры. Несамовоспламеняющиеся топлива требуют систему поджига.


Пример:керосин+LOX или LH2+LOX.

НТК: здесь комментарии думаю излишни. Требуется либо катализатор, либо постоянный поджиг (или температура и/или давление и т.д.), либо третий компонент.


Идеальны для транспортировки, хранения и "протечкоустойчивы".
Еще вариант разделения-по уровню энергетических характеристик ЖРТ:

По токсичности и коррозионной активности компонентов различают ЖРТ:

*на нетоксичных и некоррозионно-активных компонентах топлива - (02)ж, углеводородные горючие и др.;
*на токсичных и коррозионно-активных компонентах топлива - ММГ, НДМГ и особенно (F2)ж.

По числу используемых компонентов топлива различают одно-, двух- и трехкомпонентные ДУ.
В однокомпонентных ДУ, в которых наиболее часто используют вытеснительную подачу.



В качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки вспомогательных однокомпонентных ДУ для ИСЗ, КА и КК использовалась высококонцентрированная (80 ... 95 %) перекись водорода.

В настоящее время такие вспомогательные двигательные установки применяют лишь в системах ориентации ступеней некоторых японских РН.



У остальных вспомогательных однокомпонентных ДУ перекись водорода "вытеснена" гидразином, при этом обеспечено увеличение удельного импульса примерно на 30%.


Наиболее широко человечество использует двухкомпонентные ТК, обладающие более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с однокомпонентными. Но двухкомпонентные ЖРД сложнее по конструкции, чем однокомпонентные. Из-за наличия баков окислителя и горючего, более сложной системы трубопроводов и необходимости обеспечения требуемого соотношения компонентов топлива (коэффициента Кmо). В ДУ ИСЗ, КК и КА часто применяют не один, а несколько баков окислителя и горючего, что дополнительно усложняет систему трубопроводов двухкомпонентной ДУ.



Трёх компонентные РТ в разработке. Это настоящая экзотика.
Патент РФ на трёх-компонентный ЖРД .
Схема этого ЖРД .

Такие ЖРД можно классифицировать как многотопливные.
ЖРД на трехкомпонентном топливе (фтор+водород+литий) разрабатывался в ОКБ-456 .

Двухкомпонентные топлива состоят из окислителя и горючего.
ЖРД Bristol Siddeley BSSt.1 Stentor: двухкомпонентный ЖРД (H2O2+керосин)

Окислители

Кислород





С точки зрения химии, идеальный окислитель. Он использовался в первых баллистических ракетах ФАУ, ее американских и советских копиях. Но его температура кипения не устраивала военных. Требуемый диапазон рабочих температур от –55°C до +55°C (большое время подготовки к старту, малое время нахождения на боевом дежурстве).



Очень низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость небольшая: менее $0,1 (по-моему, дешевле литра молока в разы).
Недостатки:



Криогенный - необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом. Еще и может нагадить другим ТК (керосину):

На фото: створки защитных устройств заправочного автостыка керосина (ЗУ-2), за 2 минуты до окончания циклограммы при выполнении операции ЗАКРЫТЬ ЗУ из-за обледенения не полностью закрылись. Одновременно из-за обледенения не прошел сигнал о съезде ТУА с пусковой установки. Пуск проведен на следующий день.

Агрегат-заправщик РБ жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте.

Затруднено использование в качестве охладителя КС и сопла ЖРД.



См.

Сейчас всеми изучается возможность использования переохлажденного кислорода либо кислорода в шугообразном состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз этого компонента. Вид будет примерно такой же, как эта красивая ледяная шуга в бухточке правее Шаморы:

Пофантазируйте: вместо Н2О представьте ЖК (LOX).

Шугирование позволит увеличить общую плотность окислителя.

Пример захолаживания (переохлаждения) БР Р-9А: в качестве окислителя в ракете впервые было решено использовать переохлажденный жидкий кислород, что позволило уменьшить общее время подготовки ракеты к пуску и повысить степень ее боеготовности.


Примечание: почему-то за эту же самую процедуру нагибал (почти "чморил") Илона Маска известный писатель Дмитрий Конаныхин.
См:
В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 1
В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 2

Озон-O3





Давно инженеры мучились с ним, пытаясь использовать в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике.

Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и Iуд. У жидкого озона большая плотность, чем у жидкого кислорода (1,35 против 1,14 г/см³ соответственно), а его Т кипения выше (−112 °C и −183 °C соответственно).

Пока непреодолимым препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона с разложением его на O и O2, при котором возникает движущаяся со скоростью около 2 км/с детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 3·107 дин/см2 (3 МПа), что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники, за исключением использования устойчивых кислород-озоновых смесей (до 24 % озона). Преимуществом подобной смеси также является больший удельный импульс для водородных двигателей, по сравнению с озон-водородными. На сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по Iуд на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива.

Азотная кислота-HNO3





HNO3 имеет высокую плотность, невысокую стоимость, производится в больших количествах, достаточно стабильна, в том числе при высоких температурах, пожаро- и взрывобезопасная. Главное ее преимущество перед жидким кислородом в высокой температуре кипения, а, следовательно, в возможности неограниченно долго храниться без всякой теплоизоляции. Молекула азотной кислоты HNO3 – почти идеальный окислитель. Она содержит в качестве "балласта” атом азота и "половинку” молекулы воды, а два с половиной атома кислорода можно использовать для окисления топлива. Но не тут-то было! Азотная кислота настолько агрессивное вещество, что непрерывно реагирует само с собой–атомы водорода отщепляются от одной молекулы кислоты и присоединяются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушаются концентрированной азотной кислотой (в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов). Для уменьшения коррозионной активности в азотную кислоту стали добавлять различные вещества, всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз.







Мы почти 20 лет искали подходящую тару для азотной кислоты. Очень трудно при этом подобрать конструкционные материалы для баков, труб, камер сгорания ЖРД.

Вариант окислителя, что выбрали в США, с 14 % двуокиси азота. А наши ракетчики поступили иначе. Надо было догонять США любой ценой, поэтому окислители советских марок – АК-20 и АК-27 – содержали 20 и 27 % тетраоксида.

Интересный факт: в первом советском ракетном истребителе БИ-1 были использованы для полетов азотная кислота и керосин.



Баки и трубы пришлось изготовлять из монель-металла: сплава никеля и меди, он стал очень популярным конструкционным материалом у ракетчиков. Советские рубли были почти на 95 % сделаны из этого сплава.



Недостатки: терпимая "гадость". Коррозионною активна. Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.

Азотный тетраоксид-АТ (N2O4)

"Принял эстафету" от азотной кислоты в военных двигателях. Обладает саомовоспламеняемостью с гидразином, НДМГ. Низкокипящий компонент, но может долго хранится при принятии особых мер.



Недостатки: такая же гадость, как и HNO3, но со своими причудами. Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида, иногда её называют "красной дымящейся азотной кислотой". Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.



В основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД КА благодаря своим свойствам: долгохранимость и самовоспламеняемость. Характерные горючие для АТ это НДМГ и гидразин.

Фтор-F2





Химия фтора начала развиваться с 1930-х годов, особенно быстро - в годы 2-й мировой войны 1939-45 годов и после нее в связи с потребностями атомной промышленности и ракетной техники. Название "Фтор" (от греч. phthoros - разрушение, гибель), предложенное А. Ампером в 1810 году, употребляется только в русском языке; во многих странах принято название "флюор". Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Окисляет и кислород, и воду, и вообще практически всё. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!

Супер? Облом, а не "супер"...

Врагу такой окислитель не пожелаешь.
Чрезвычайно коррозионною активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же "грехи": жутко коррозионны и токсичны.

Техника безопасности. Фтор токсичен, предельно допустимая концентрация его в воздухе примерно 2·10-4 мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5·10-3мг/л.

ЖРД 8Д21 применение пары фтор + аммиак давало удельный импульс на уровне 4000 м/с.
Для пары F2+H2 получается Iуд=4020 м/с!
Беда: HF-фтороводород на "выхлопе".

Стартовая позиция после запуска такого "энергичного движка"?
Лужа жидких металлов и прочих растворённых в плавиковой кислоте химических и органических объектов!
Н2+2F=2HF, при комнатной температуре существует в виде димера H2F2.

Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА не реально из-за убийственной сложности хранения и разрушительного действия продуктов сгорания.



Всё то же самое относится и к остальным жидким галогенам, например, к хлору.


Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС "Спираль" предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П. Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.

Перекись водорода-H2O2.



Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.

Walter HWK 109-507: преимущества в простоте конструкции ЖРД. Яркий пример такого топлива - перекись водорода.

Перекись водорода для роскошных волос "натуральных" блондинок и еще 14 секретов её применения .



Alles: список более-менее реальных окислителей закончен. Акцентирую внимание на HClО4. Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только: моногидрат (Н2О+ClО4)-твёрдое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlО4)-плотная вязкая жидкость. Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива.

Окислители можно классифицировать и так:



Итоговый (чаще используемый) список окислителей в связке с реальными же горючими:

Примечание: если хотите перевести один вариант удельного импульса в другой, то можно пользоваться простой формулой: 1 м/с = 9,81 с.

В отличие от них - горючих у нас "завались" .

Горючие

Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПа



По физико-химическому составу их можно разбить на несколько групп:


Просыпайтесь сони - мы добрались уже до спирта(С2Н5ОН).



Поиски оптимального горючего начались с освоения энтузиастами ЖРД. Первым широко использовавшимся горючим стал спирт (этиловый), применявшийся на первых
советских ракетах Р-1, Р-2, Р-5 ("наследство" ФАУ-2) и на самой Vergeltungswaffe-2.



Вернее раствор 75% этилового спирта (этанол, этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт или алкоголь, часто в просторечии просто «спирт») — одноатомный спирт с формулой C2H5OH (эмпирическая формула C2H6O), другой вариант: CH3-CH2-OH
У этого горючего два серьёзных недостатка, которые очевидно не устраивали военных: низкие энергетические показатели и низкая стойкость личного состава к «отравлению» таким горючим .

Сторонники здорового образа жизни (спиртофобы) пытались решить вторую проблему с помощью фурфурилового спирта. Это ядовитая, подвижная, прозрачная, иногда желтоватая (до темно-коричневого), со временем краснеющая на воздухе жидкость. ВАРВАРЫ!



Хим. формула:C4H3OCH2OH, Рац. формула:C5H6O2. Отвратительная жижа.К питью не годна.

Группа углеводородов.

Керосин




Керосин является смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим. формуле) и "размазанная" температура кипения. Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно во всём мире в двигателях и в авиации. Именно на нем до сих пор летают "Союзы". Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. Всё же керосин опасен и вреден для здоровья (употребление внутрь).
А ведь находятся люди, которые им что только ни лечат! Минздрав категорически против!
Солдатские байки: хорошо помогает избавиться от противных Pthirus pubis .

Однако и он требует осторожности в обращении при эксплуатации: видео аварии пассажирского самолёта

Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве. Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность.



Американские ракетные керосины Rocket Propellant-1 или Refined Petroleum-1

Относительно дешёвый был раньше .
Для повышения плотности лидерами освоения космоса были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).
Синтез синтина .

Керосин имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что отрицательно сказывается на охлаждении. На это его нехорошее свойство педалируют Мухин, Велюров @Co .
Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.

Шедевр человеческого разума и инженерии наша "жемчужина" РД-170/171:





Теперь более корректным названием для горючих на основе керосина стал термин УВГ -"углеводородное горючее", т.к. от керосина, который жгли в безопасных керосиновых лампах И. Лукасевича и Я. Зеха, применяемое УВГ "ушло" очень далеко .

Как пример: нафтил .



На самом деле "Роскосмос" дезу выдаёт:


Низкомолекулярные углеводороды

Метан-CH4



Всеми сейчас рассматривается как перспективное и дешёвое топливо, как альтернатива керосину и водороду.
Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:


Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: около 3250-3300 м/с на земле. Неплохой охладитель.

Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. В последнее время идут активные НОР и НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120 ).




Или "Kinder Surpeis", как пример: американский Raptor engine от Space X:


К этим топливам можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики, как горючих, близки (за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения) к УВГ. И имеются такие же проблемы при их использовании.

Особняком среди горючих позиционируется Водород -H2 (Жидкий: LH2).


Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским, но реализовано другими:



С точки зрения термодинамики Н2 идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода ТНА.

Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок:



Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ) — безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.

Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис». Но пока не летает

Этот ТК обеспечивает высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3835 м/с.



Из реально используемых это самый высокий показатель. Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист, на "выходе" в контакте с О2: вода (водяной пар). Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. Нетоксичен. Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.

1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки РН "Энергия" и МТКК "Шаттл". Из-за низкой плотности применим (как правило) на верхних ступенях РН.

Кроме того, низкая плотность ставит непростую задачу для насосов: насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.

По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосные агрегаты горючего (БНАГ) сразу за заборным устройством в баках, дабы облегчить жизнь основному ТНА.

Ещё насосы водорода для оптимальных режимов требуют значительно большей частоты вращения ТНА.

2. Низкая температура. Криогенное топливо. Перед заправкой необходимо проводить многочасовое захолаживание (и/или переохлаждение) баков и всего тракта. Баки РН "Falocn 9FT" - взгляд изнутри:



Подробнее о "сюрпризах":
"МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМАХ" Н0Р В.А. ГордеевВ.П. Фирсов, А.П. Гневашев, Е.И. Постоюк
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, КБ «Салют»; "Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

Низкая температура кипения затрудняет и закачку в баки и хранение этого топлива в баках и хранилищах.

3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа:

Это всё накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, ЖРД, ТНА, циклограммы работы, и особенно насосов.

4. Газообразный водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы. Н2г обладает высокой теплопроводностью, равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху).

Водород в обычном состоянии при низких температурах малоактивен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с Сl2. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла;

5. Со щелочными и щелочно-земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды – до насыщенных (см. Гидрирование ).
Водород очень легко отдает свой электрон. В растворе отрывается в виде протона от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О. Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.

6. Пожароопастность и взрывоопасность. Можно не рассусоливать: гремучую смесь все знают.
Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.


Т.о. водород есть и Gut (даже Sehr Gut ), и одновременно "головная боль" (даже сильная боль головная).
Первый закон диалектики: "Единство и борьба противоположностей" / Georg Wilhelm Friedrich Hegel /

Впечатляет Space Shuttle Main Engine (SSME)?




Теперь прикиньте его стоимость!
Вероятно, увидев это и посчитав затраты (стоимость вывода на орбиту 1 кг ПН), законодатели и те кто рулит бюджетом США и NASA в частности... решили "ну его на фиг".
И я их понимаю - на РН "Союз" и дешевле, и безопаснее, да использование РД-180/181 снимает многие проблемы американских РН и существенно экономит деньги налогоплательщиков самой богатой страны мира.





Наиболее освоены водородные двигатели в США.
Сейчас мы позиционируемся на 3-4 месте в "Водородном клубе" (после Европы, Японии и Китая/Индии).

Отдельно упомяну твёрдый и металлический водород.

Твердый водород кристаллизуется в гексагональной решетке (а = = 0,378 нм, с = 0,6167 нм), в узлах которой расположены молекулы Н2, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами; плотность 86,67 кг/м³; С° 4,618 Дж/(моль*К) при 13 К; диэлектрик. При давлении свыше 10000 МПа предполагается фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами. Теоретически предсказана возможность сверхпроводимости "металлический водород".


Шотландский химик Дж. Дьюар в 1899 году впервые получил водород в твёрдом состоянии. Для этого он использовал регенеративную охлаждающую машину, основанную на эффекте Джоуля—Томсона .



Беда с ним. Он постоянно теряется: "Ученые потеряли единственный в мире образец металлического водорода" . Оно и понятно: получен кубик из молекул: 6х6х6. Просто "гигантские" объёмы - прям хоть сейчас "заправляй" ракету. Почему-то мне это напомнило "нанотанк Чубайса" . Это нано-чудо не могут найти уже лет 7 или больше.

Анамезон, антивещество, метастабильный гелий пока оставлю за кадром.

...
Гидразиновые топлива ("вонючки")
Гидразин-N2H4

Состояние при н.у.- бесцветная жидкость
Молярная масса=32.05 г/моль
Плотность=1.01 г/см³

Очень распространенное топливо.
Хранится долго, и его за это "любят". Широко используется в ДУ КА и МБР/БРПЛ, где долгохранимость имеет критическое значение.

Кого смутил Iуд в размерности Н*с/кг отвечаю: это обозначение "любят" военные.
Ньютон — производная единица, исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. Таким образом, 1 Н = 1 кг·м/с².
Соответственно: 1 Н*с/кг =1 кг·м/с²*с/кг=м/с.
Освоен в производстве.

Недостатки: токсичен, вонючий.

Для человека степень токсичности гидразина не определена. По расчётам S. Krop опасной концентрацией следует считать 0,4 мг/л. Ch. Comstock с сотрудниками полагает, что предельно допустимая концентрация не должна превышать 0,006 мг/л. Согласно более поздним американским данным, эта концентрация при 8-часовой экспозиции снижена до 0,0013 мг/л. Важно отметить при этом, что порог обонятельного ощущения гидразина человеком значительно превышает указанные числа и равен 0,014-0,030 мг/л. Существенным в этой связи является и тот факт, что характерный запах ряда гидразинопроизводных ощущается лишь в первые минуты контакта с ними. В дальнейшем вследствие адаптации органов обоняния, это ощущение исчезает, и человек, не замечая того, может длительное время находиться в зараженной атмосфере, содержащей токсические концентрации названного вещества.

Пары гидразина при адиабатном сжатии взрываются. Склонен к разложению, что однако позволяет его использовать как монотопливо для ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). В силу освоенности производства более распространен в США.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)-H2N-N(CH3)2

Широко используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости. При освоении технологии ампулирования - практически исчезли все проблемы (кроме утилизации и аварий припусках).

Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином.



Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями. Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР.

Любимое топливо В.П.Глушко. Не любимое топливо моего ОЗК и окружающей живой природы.



Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200).



Используется, как правило, с азотными окислителями на ЖРД МБР, БРПЛ, КА и на нашей РН "Протон-*".



Недостатки: крайне токсичен. Такая же "вонючка", как и остальные "вонючки". На порядок дороже керосина.

Гидразин чрезвычайно ядовит

Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ. Более распространен в СССР.
А в реактивном двигателе французского истребителя-бомбардировщика Dassault Mirage III (хорошее видео-рекомендую) НДМГ используют как активизирующую добавку к традиционному топливу.

По поводу гидразиновых топлив.

Удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²)

За кадром остались:
Анилин, метил-, диметил- и триметиламины и CH3NHNH2-Метилгидразин (он же монометилгидразин или гептил) и пр.
На профессиональном жаргоне эти топлива называют "вонючими" или "вонючками".

Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят "вонючие" двигатели, то "до замужества" она была боевой ракетой (МБР, БРПЛ или ЗУР - что уже редкость). Химия на службе и армии и гражданки.



Исключение, пожалуй, лишь РН Ariane - творение кооператива: Aérospatiale, Matra Marconi Space, Alenia, Spazio, DASA и др. Её миновала в "девичестве" подобная боевая участь.


Военные практически все перешли на РДТТ, как более удобные в эксплуатации. Ниша для "вонючих" топлив в космонавтике сузилась до использования в ДУ КА, где требуется долгое хранение без особых материальных или энергетических затрат.
Пожалуй, кратко обзор можно выразить графически:



Активно работают ракетчики и с метаном. Особых эксплуатационных трудностей нет: позволяет неплохо поднять давление в камере (до 40 МПа) и получить хорошие характеристики.
( РД0110МД, РД0162. Метановые проекты. Перспективные многоразовые ракеты-носители ) и остальными природными газами (СПГ).

О прочих направления по повышению характеристик ЖРД (металлизация горючих, использование Не2, ацетама и прочем) я напишу позже. Если будет интерес.

Послесловие:

вообще все ракетные ТК (кроме НТК), а так же попытка изготовить их в домашних условиях- очень опасны. Предлагаю внимательно ознакомиться:
26-летний Крис Монгер, отец двоих детей, решил приготовить в домашних условиях ракетное топливо по инструкции, подсмотренной на YouTube . Смесь, которую он готовил на плите в кастрюле, ожидаемо взорвалась. В итоге мужик получил огромное количество ожогов и провел в больнице пять дней.

Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны, а порой и противозаконны. К местам их разлива без ОЗК и противогаза ЛУЧШЕ не подходить:

Как и с разлитой ртутью: звонить в МЧС, быстро приедут и всё профессионально подберут.

Всем спасибо, кто смог вытерпеть всё это до конца.

Первоисточники:
Качур П. И., Глушко А. В. "Валентин Глушко. Конструктор ракетных двигателей и космических систем", 2008.
Г.Г. Гахун "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", Москва, "Машиностроение, 1989.
Возможность увеличения удельного импульса жидкостного ракетного двигателя
при добавлении в камеру сгорания гелия С.А. Орлин МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
М.С.Шехтер. "Топлива и рабочие тела ракетных двигателей", Машиностроение" 1976
Завистовский Д. И."Беседы о ракетных двигателях".
Филипп Терехов @lozga (www.geektimes.ru).
"Виды топлива и их характеристика.Топливо горючие вещества, используемые для получения тепла. Состав топлива Горючая часть - углерод С-водород Н-сера."-презентация Оксана Касеева
Факас С.С."Основы ЖРД. Рабочие тела"
Использованы фото и видеоматериалы с сайтов:
Телестудия Роскосмоса
http://technomag.bmstu.ru
www.abm-website-assets.s3.amazonaws.com
www.free-inform.ru
www.rusarchives.ru
www.epizodsspace.airbase.ru
www.polkovnik2000.narod.ru
www.avia-simply.ru
www.arms-expo.ru
www.npoenergomash.ru
www.buran.ru
www.fsmedia.imgix.net
www.wikimedia.org
www.youtu.be
www.cdn.tvc.ru
www.commi.narod.ru
www.dezinfo.net
www.nasa.gov
www.novosti-n.org
www.prirodasibiri.ru
www.******
www.spacenews.com
www.esa.int
www.bse.sci-lib.com
www.kosmos-x.net.ru
www.rocketpolk44.narod.ru
www.criotehnika.ru
www.трансавтоцистерна.рф
www.chistoprudov.livejournal.com/104041.html
www.cryogenmash.ru
www.eldeprocess.ru
www.chemistry-chemists.com
www.rusvesna.su
www.arms-expo.ru
www.armedman.ru
www.трансавтоцистерна.рф
www.ec.europa.eu
www.mil.ru
www.kbkha.ru
www.naukarus.com