"ХРУСТАЛЬНАЯ МЕЧТА" С.П.КОРОЛЁВА: УКРОЩЕНИЕ "ЖИДКОГО ПОРОХА"
4-10-2010, 17:51. Разместил: VP
Валерий БУРДАКОВ заслуженный деятель науки, профессор
О «хрустальной мечте» С. П. Королёва — ракетном монотопливе наш журнал писал в 2007 году. Однако странное дело — при активном интересе к этому топливу со стороны «рядовых» ракетчиков эта публикация не вызвала практически никакого внимания у тех, от кого зависит принятие решений.
УКРОЩЕНИЕ «ЖИДКОГО ПОРОХА»
Традиционные жидкие ракетные топлива, как правило, состоят из двух компонентов — горючего и окислителя. Соответственно, на ракету необходимо устанавливать по два комплекта баков, систем подачи, управления расходом... Растет масса и сложность конструкции. Между тем, первое в мире однобаковое ракетное топливо изобрели, как они сами утверждают, китайцы. Называлось оно «черный порох». Боевые пороховые ракеты летают еще со времен средневековья, а в XX веке во всем мире развернулись работы по созданию ракет жидкостных.
Известна совместная работа руководимого С. П. Королёвым ГИРДа в Москве и руководимой В. П. Глушко ГДЛ в Ленинграде в начале 30-х годов ХХ века над реализацией изобретений русского самородка К. Э. Циолковского. Циолковскому принадлежит авторство целой серии новшеств, в частности — жидкостной ракеты и жидкостного ракетного двигателя на двухбаковом топливе кислород — водород. Существенную роль в развитии мирового ракетостроения сыграла немецкая ракета «Фау-2» на трехбаковом топливе кислород — этиловый спирт — высококонцентрированная перекись водорода (ВПВ). Исследуя трофейные «Фау», советские инженеры многое узнали о свойствах ВПВ. Перекись очень понравилась тогда и Королёву, и Глушко. Она до сих пор применяется в качестве однобакового топлива в двигательной установке, обеспечивающей мягкую посадку спускаемого аппарата космических кораблей семейства «Союз».
Впоследствии В. П. Глушко предложил преемнику Королёва В. П. Мишину использовать ВПВ в качестве окислителя двухбакового топлива для посадочного и взлетного двигателя лунного корабля, поскольку удельный импульс тяги ВПВ в качестве однобакового топлива в два с лишним раза ниже, чем у двухбакового. Но разработчикам советской ракетной техники необходимо было однобаковое топливо с высоким тяговым импульсом...
ЖЕЛАТИН ХОРОШ НЕ ТОЛЬКО В МАРМЕЛАДЕ
На протяжении нескольких десятилетий в Институте общей физики Академии наук, а впоследствии — и в российской Академии инженерных наук (АИН) под руководством нобелевского лауреата академика А. М. Прохорова проводились эксперименты по термоядерному лазерному синтезу. При облучении со всех сторон лазерами стеклянной или пластиковой микрокапсулы, заполненной дейтерий-тритиевой смесью, регистрировался выход нейтронов, свидетельствующий о возникновении реакции термоядерного синтеза. Когда к опытам подключились специалисты-практики, естественно, появились и предложения об использовании подобных капсул в двигательной энергетике.
По рассказам C. П. Королёва, еще в бытность его в ГИРДе они вместе с М. К. Тихонравовым наливали в кювету масло, заливали его жидким кислородом и пытались разными механическими способами вызвать вспышку, но реакции не происходило. Это внушало определенный оптимизм — возможно, удастся найти способы хранения в общем баке компонентов, считающихся при смешивании взывоопасными. Другой случай рассказал мне соратник Королёва профессор Б. А. Соколов. В 1946 году после переезда КБ А. М. Исаева в подмосковные Подлипки был поставлен очередной опыт по созданию однобакового топлива. В металлической бочке смешали окислитель — азотную кислоту и горючее — керосин. Перед этим вырыли траншею, куда поместили «оператора», задачей которого было качание бочки путем дергания за привязанную к ней длинную веревку. Так якобы имитировался полет реальной ракеты. В течение примерно часа, пока бочка качалась, ничего не происходило, и исследователи уже начали радоваться своей удаче. Но когда бочку качать перестали, прогремел взрыв. По-видимому, качание бочки прерывало все время возникающие цепные реакции. Подобных опытов по созданию «жидких порохов» было проделано много, но обнадеживающих результатов получено не было.
В 1995 году наш коллектив в АИН доказал возможность создания однобакового пульпообразного монотоплива, состоящего из жидкого компонента (окислителя или горючего) и твердого компонента в виде микрокапсул, которые тоже могут быть как горючим, так и окислителем. Особенно привлекала нас возможность капсулировать озон, обладающий высокими энергетическими характеристиками. Озон взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, но не взрывоопасен, если он размещается в капсуле диаметром не более 2,5 мм. Кроме того, его можно смешивать с жидким кислородом, но в количестве не более 24 %, тогда эта смесь также будет взрывобезопасна.
В США также ведутся подобные работы. В частности, была освоена технология микрокапсулирования толуола в желатине, который в жидком кислороде обладает феноменальной прочностью. Получается, что принципиальное решение проблемы создания однобакового топлива найдено — надо только обеспечить изоляцию топливных микрокапсул (ТМК) от кислорода. Кстати говоря, при этом становится осуществимой и идея создателя «Фау-2» Вернера фон Брауна, который еще в 60-х годах прошлого столетия предложил помещать в баки с компонентами сферические микрокапсулы, чтобы те закрывали метеоритные микропробоины в баках при полете на Марс. В случае применения однобакового пульпообразного топлива проблема решается автоматически и очень элегантно: надо только обеспечить распределение микрокапсул по размерам в соответствии с вероятностью метеорного пробоя.
Сегодня технология микрокапсулирования уже достаточно хорошо развита и за рубежом, и в России. Все большую популярность приобретает идея использования желатиновых ТМК внутри баков с жидким кислородом. Ряд инжиниринговых фирм уже освоили выпуск полых микросфер, применяемых в различных областях техники, — например, с использованием перхлорэтилена или хладона.
НАНОТОПЛИВО НА МИКРОГРАНУЛАХ
Возвращаясь к проблеме создания однобаковых топлив (монотоплив), следует сказать, что в соответствии с последними результатами исследований монотопливо, использующее наиболее перспективные металлические компоненты (в частности, алюминий или бериллий), будет при этом и нанотопливом, поскольку частицы металлических компонентов должны иметь размеры порядка 100 нм.
Cудьба научных идей и публикаций часто необычна. Наша публикация в 2007 году в «РК» вполне могла повлиять на фабулу кинофильма «Черная молния», в котором автомобиль «Волга» заправляют «нанотопливом», благодаря чему он имеет возможность вылетать в космос и совершать там различные чудеса. И теперь по запросу «нанотопливо» в Интернете открывается несколько тысяч ссылок на этот фильм. Нанотопливо для перспективных космических ракет-носителей было предложено в 1995 году и запатентовано в России в 1999 году. Проведенные уже в новом столетии термодинамические расчеты показали, что выгоднее применять не ТМК, а топливные микрогранулы (ТМГ), которые проще в изготовлении, более надежны в эксплуатации и дают более высокие значения энергетических параметров топлива. Дальнейшая работа по созданию нанотоплива ведется только с ТМГ. Их моноразмерные образцы получены в Московском энергетическом институте А. В. Бухаровым.
Статистические геометрические характеристики ТМК
Один из простейших вариантов однобакового нанотоплива — это жидкий кислород, в котором размещены сферические полиэтиленовые ТМГ той же плотности. В полиэтилен внедрены наночастицы алюминия диаметром менее 100 нм. Внедряться могут и иные металлы или их гидриды. Снаружи каждая ТМГ с помощью газофазного или ионного напыления в вакууме покрывается нанослоем алюминия, поверхность которого оксидируется и создает тонкую и прочную оксидную нанопленку, защищающую ТМГ от химических контактов с окислителем.
Все, казалось бы, просто и понятно — начинай только работу!.. К сожалению, особого внимания со стороны руководителей разработки перспективных ракет-носителей к нанорешениям пока не наблюдается. Зато появляется информация о наноразработках в области ракетной техники за рубежом. Так, в США изучают твердое нанотопливо, представляющее собой лед с вмороженными в него наночастицами алюминия. Французское космическое агентство СМЕ8 провело лабораторные эксперименты по сжиганию замороженного топлива из перекиси водорода, гидрида алюминия и полиэтилена, получив ошеломляющие для этого типа двигателей результаты, — в частности, оказалось, что удельный импульс тяги может достигать 370-390 с! НУЖЕН НАНОКОСМОДРОМ
Расчетные энергетические характеристики предложенного нами однобакового нанотоплива весьма многообещающи. Нанотопливо на основе жидкого кислорода и полиэтиленовых ТМГ с гидридом алюминия дает теоретический удельный импульс тяги в пустоте более 450 с при плотности топлива, равной плотности жидкого кислорода. Таким образом обеспечивается удельный импульс, на 25% превышающий удельный импульс традиционного топлива при более высокой плотности (на 14%). Да и температура в камере сгорания у нанотоплива существенно ниже, что в сочетании с мощным охлаждением, в котором принимает участие не один, как ранее, а оба компонента, имеет важное значение при создании супернадежного многоразового носителя. 
Расчетные пустотные энергетические характеристики ракетных топлив на основе жидкого кислорода. 1 — Однобаковое нанотопливо с ТМГ в виде смеси полиэтилена с гидридом алюминия. 2 — С тандартное двухбаковое топливо с керосином в качестве горючего. 3 — Однобаковое нанотопливо первого этапа с ТМГ в виде смеси полиэтилена с нанопорошком алюминия
Естественно, что нанотопливо для ЖРД можно делать и на базе других окислителей — стандартных, таких как ВПВ или азотный тетраксид, или перспективных, таких как смесь кислорода с 24 % озона. В последнем случае эффективность перспективных многоразовых одноступенчатых носителей (МОН) по выводимому полезному грузу возрастает примерно в два раза. По нашему мнению, именно на МОН в первую очередь должен быть рассчитан космодром Восточный, и именно такие носители на базе такого технического решения обеспечат сборку на орбите космических солнечных электростанций, захоронение на Солнце радиоактивных и других опасных отходов, экспедицию в систему Юпитера, а также прибыльный космический туризм и межматериковые транспортные перелеты «через космос».
Вернуться назад