Raketikütus sisaldab kütust ja oksüdeerijat ning erinevalt reaktiivkütusest ei vaja välist komponenti: õhku ega vett. Raketikütused jagunevad vastavalt nende agregatsiooni olekule vedelaks, tahkeks ja hübriidseks. Vedelkütused jagunevad krüogeenseteks (komponentide keemistemperatuur alla null kraadi Celsiuse järgi) ja kõrge keemistemperatuuriga (ülejäänud). Tahked kütused koosnevad keemilisest ühendist, tahkest lahusest või plastifitseeritud komponentide segust. Hübriidkütused koosnevad erinevatest agregaatolekutest ja on praegu uurimisjärgus.
Ajalooliselt oli esimene raketikütus must pulber, soolapeteri (oksüdeerija), söe (kütus) ja väävli (sideaine) segu, mida kasutati esmakordselt Hiina raketites 2. sajandil pKr. Tahkekütuse rakettmootoriga (tahke raketikütusega raketimootor) laskemoona kasutati sõjalistes asjades süüte- ja signaalivahendina.
Pärast suitsuvaba pulbri leiutamist 19. sajandi lõpus töötati selle baasil välja ühekomponentne ballistiline kütus, mis koosnes nitrotselluloosi (kütus) tahkest lahusest nitroglütseriinis (oksüdeeriv aine). Ballistite kütus on musta pulbriga võrreldes mitu korda kõrgema energiaga, sellel on kõrge mehaaniline tugevus, see on hästi vormitud, säilitab keemilise stabiilsuse pikka aega ladustamise ajal ja on madala hinnaga. Need omadused määrasid ballistilise kütuse laialdase kasutamise massiivseima raketikütusega varustatud laskemoona - rakettide ja granaatidega.
Kahekümnenda sajandi esimesel poolel selliste teadusharude nagu gaaside dünaamika, põlemisfüüsika ja suure energiaga ühendite keemia areng võimaldas vedelate komponentide kasutamise abil laiendada raketikütuste koostist. Esimeses vedela raketimootori (LPRE) "V -2" lahingraketis kasutati krüogeenset oksüdeerijat - vedelat hapnikku ja kõrge keemistemperatuuriga kütust - etüülalkoholi.
Pärast Teist maailmasõda said raketirelvad muud tüüpi relvade ees arendamisel prioriteedi, kuna neil oli võimalik tuumalaenguid sihtmärgile toimetada mis tahes kaugusel - mitmest kilomeetrist (raketisüsteemid) kuni mandritevaheliseni (ballistilised raketid). Lisaks on rakettrelvad oluliselt asendanud suurtükiväe relvad lennunduses, õhutõrjes, maaväes ja mereväes, kuna tagasilöögijõud puudub rakettmootoritega laskemoona laskmisel.
Samaaegselt ballistilise ja vedela raketikütusega on mitmekomponentsed segatud tahked raketikütused välja töötatud sõjaliseks kasutamiseks kõige laiemate temperatuurivahemike tõttu, komponentide lekkeohu kõrvaldamine, tahke raketikütusega rakettmootorite madalam hind, kuna neid ei kasutata. torujuhtmed, ventiilid ja pumbad, millel on suurem tõukejõud massiühiku kohta.
Raketikütuste peamised omadused
Lisaks komponentide agregeerumisele iseloomustavad rakettkütuseid järgmised näitajad:
- tõukejõu spetsiifiline impulss;
- termiline stabiilsus;
- keemiline stabiilsus;
- bioloogiline toksilisus;
- tihedus;
- suitsusus.
Raketikütuste spetsiifiline tõukejõud sõltub rõhust ja temperatuurist mootori põlemiskambris, samuti põlemisproduktide molekulaarsest koostisest. Lisaks sõltub konkreetne impulss mootori otsiku paisumissuhtest, kuid see on rohkem seotud raketitehnoloogia väliskeskkonnaga (õhu atmosfäär või kosmos).
Suurenenud rõhk saavutatakse suure tugevusega konstruktsioonimaterjalide (rakettmootorite terasesulamid ja tahkete raketikütuste organoplastid) kasutamisel. Selles aspektis on vedelkütusel töötavad rakettmootorid tahketest raketikütustest ees oma jõuallika kompaktsuse tõttu, võrreldes tahkekütusel töötava mootori kerega, mis on üks suur põlemiskamber.
Põlemisproduktide kõrge temperatuur saavutatakse, lisades tahkele kütusele metallalumiiniumi või keemilise ühendi - alumiiniumhüdriidi. Vedelkütustes saab selliseid lisandeid kasutada ainult siis, kui need on paksendatud spetsiaalsete lisanditega. Vedelkütusel töötavate rakettmootorite termilise kaitse tagab kütusega jahutamine, tahkete raketikütuste termiline kaitse-kütuseploki kindla kinnitamine mootori seintele ja süsinik-süsinik komposiidist läbipõlemisdetailide kasutamine kriitilises osas otsik.
Kütuse põlemis- / laguproduktide molekulaarne koostis mõjutab voolukiirust ja nende agregatsiooni olekut düüsi väljumisel. Mida väiksem on molekulide mass, seda suurem on voolukiirus: põlemisproduktidest on eelistatumad veemolekulid, millele järgnevad lämmastik, süsinikdioksiid, klooroksiidid ja muud halogeenid; kõige vähem eelistatud on alumiiniumoksiid, mis kondenseerub mootori düüsis tahkeks aineks, vähendades seeläbi paisuvate gaaside mahtu. Lisaks sunnib alumiiniumoksiidi fraktsioon kasutama koonilisi düüse, mis on tingitud kõige tõhusamate paraboolsete Lavali düüside abrasiivsest kulumisest.
Sõjaliste raketikütuste puhul on nende termiline stabiilsus raketitehnoloogia laia temperatuurivahemiku tõttu eriti oluline. Seetõttu kasutati krüogeenseid vedelkütuseid (hapnik + petrooleum ja hapnik + vesinik) ainult mandritevaheliste ballistiliste rakettide (R-7 ja Titan) väljatöötamise algfaasis, samuti korduvkasutatavate kosmosesõidukite kanderakettide jaoks (kosmosesüstik ja Energia), mis on ette nähtud satelliitide ja kosmoserelvade laskmiseks madala mullaga orbiidile.
Praegu kasutab sõjavägi eranditult kõrge keemistemperatuuriga vedelkütust, mis põhineb lämmastiktetroksiidil (AT, oksüdeerija) ja asümmeetrilisel dimetüülhüdrasiinil (UDMH, kütus). Selle kütusepaari termilise stabiilsuse määrab AT keemistemperatuur (+ 21 ° C), mis piirab selle kütuse kasutamist rakettide poolt termostaadiga ICBM ja SLBM rakettide silodes. Komponentide agressiivsuse tõttu kuulus / kuulub raketitankide tootmise ja käitamise tehnoloogia ainult ühele riigile maailmas - NSVL / RF (ICBM -id "Voevoda" ja "Sarmat", SLBM -id "Sineva" ja " Liner "). Erandina kasutatakse AT + NDMG kütusena õhusõidukite tiibrakettidele Kh-22 Tempest, kuid maapealse käitamise probleemide tõttu plaanitakse Kh-22 ja nende järgmise põlvkonna Kh-32 asendada reaktiivmootoriga Tsirkooni tiibraketid, mis kasutavad kütusena petrooleumi.
Tahkekütuste termilise stabiilsuse määravad peamiselt lahusti ja polümeersideaine vastavad omadused. Ballistiliste kütuste koostises on lahustiks nitroglütseriin, mille nitrotselluloosiga lahuses on temperatuurivahemik miinus kuni pluss 50 ° C. Segakütustes kasutatakse polümeersidujana erinevaid sünteetilisi kumme, millel on sama töötemperatuuri vahemik. Kuid tahkekütuste põhikomponentide (ammooniumdinitramiid + 97 ° C, alumiiniumhüdriid + 105 ° C, nitrotselluloos + 160 ° C, ammooniumperkloraat ja HMX + 200 ° C) termiline stabiilsus ületab oluliselt tuntud sideainete sarnast omadust. ja seetõttu on nende uute kompositsioonide otsimine asjakohane.
Keemiliselt kõige stabiilsem kütusepaar on AT + UDMG, kuna selle jaoks on välja töötatud ainulaadne kodumaine tehnoloogia, mis on ette nähtud peaaegu piiramatu aja jooksul kergelt lämmastikurõhu all alumiiniumpaakides ampullimiseks. Kõik tahked kütused lagunevad aja jooksul keemiliselt polümeeride ja nende tehnoloogiliste lahustite spontaanse lagunemise tõttu, mille järel oligomeerid alustavad keemilisi reaktsioone teiste stabiilsemate kütuse komponentidega. Seetõttu vajavad tahkekütuse kontrollijad regulaarset asendamist.
Raketikütuste bioloogiliselt mürgine komponent on UDMH, mis mõjutab kesknärvisüsteemi, silmade limaskesti ja inimese seedetrakti ning provotseerib vähki. Sellega seoses tehakse tööd UDMH-ga isoleerivate keemiliste kaitseülikondade abil, kasutades iseseisvaid hingamisaparaate.
Kütuse tiheduse väärtus mõjutab otseselt LPRE kütusepaakide ja tahke raketikütuse raketikere massi: mida suurem on tihedus, seda väiksem on raketi parasiitmass. Vesiniku + hapniku kütusepaari madalaim tihedus on 0,34 g / cu. cm, paar petrooleumi + hapnikku on tihedusega 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / kuup. cm, nitrotselluloos + nitroglütseriin - 1,62 g / cu. cm, alumiinium / alumiiniumhüdriid + perkloraat / ammooniumdinitramiid - 1,7 g / cm3, HMX + ammooniumperkloraat - 1,9 g / cm3. Sellisel juhul tuleb meeles pidada, et aksiaalse põlemisega tahke raketikütusega rakettmootor, mille kütuselaengu tihedus on ligikaudu kaks korda väiksem kui kütuse tihedus, mis tuleneb kasutatud põlemiskanali tähekujulisest osast. püsiva rõhu säilitamiseks põlemiskambris, sõltumata kütuse läbipõlemise astmest. Sama kehtib ballistiliste kütuste kohta, mis on moodustatud vööde või pulgade komplektina, et lühendada rakettide ja rakettide põlemisaega ning kiirenduskaugust. Vastupidiselt neile langeb HMX -i baasil põleva tahke raketikütusega raketimootorite kütuselaengu tihedus kokku selle jaoks näidatud maksimaalse tihedusega.
Raketikütuste põhiomaduste viimane on põlemisproduktide suits, mis paljastab visuaalselt raketi ja raketi lennu. See omadus on omane alumiiniumi sisaldavatele tahkekütustele, mille oksiidid kondenseeruvad raketimootori otsikus paisumise ajal tahkesse olekusse. Seetõttu kasutatakse neid kütuseid ballistiliste rakettide tahketes raketikütustes, mille trajektoori aktiivne lõik jääb vaenlase vaateväljast välja. Lennukite raketid on varustatud HMX ja ammooniumperkloraadi kütusega, raketid, granaadid ja tankitõrjeraketid - ballistilise kütusega.
Raketikütuste energia
Erinevate rakettkütuste energiavõimaluste võrdlemiseks on vaja neile seada võrreldavad põlemistingimused põlemiskambris oleva rõhu ja raketimootori düüsi paisumissuhte kujul - näiteks 150 atmosfääri ja 300 korda laienemine. Seejärel on kütusepaaride / kolmikute puhul konkreetne impulss järgmine:
hapnik + vesinik - 4,4 km / s;
hapnik + petrooleum - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammooniumdinitramiid + vesinikhüdriid + HMX - 3,2 km / s;
ammooniumperkloraat + alumiinium + HMX - 3,1 km / s;
ammooniumperkloraat + HMX - 2,9 km / s;
nitrotselluloos + nitroglütseriin - 2,5 km / s.
Ammooniumdinitramiidil põhinev tahke kütus on 1980. aastate lõpu kodumaine arendus, seda kasutati RT-23 UTTKh ja R-39 rakettide teise ja kolmanda etapi kütusena ning parimate proovide energiaomadustes pole see veel ületatud. ammooniumperkloraadil põhinevat välismaist kütust, mida kasutatakse rakettmürskudes Minuteman-3 ja Trident-2. Ammooniumdinitramiid on plahvatusohtlik aine, mis plahvatab isegi valguskiirgusest; seetõttu toodetakse seda väikestes võimsustes punaste lampidega valgustatud ruumides. Tehnoloogilised raskused ei võimaldanud selle baasil raketikütuse tootmise protsessi juhtida kõikjal maailmas, välja arvatud NSV Liidus. Teine asi on see, et nõukogude tehnoloogiat kasutati rutiinselt ainult Pavlogradi keemiatehases, mis asub Ukraina NSV Dnepropetrovski oblastis, ja see kadus 1990ndatel pärast tehase ümberehitamist kodukeemia tootmiseks. Kuid otsustades RS-26 "Rubezh" tüüpi paljulubavate relvade taktikaliste ja tehniliste omaduste järgi, taastati tehnoloogia Venemaal 2010. aastatel.
Väga tõhusa koostise näiteks on Venemaa patendi nr 2241693 tahke raketikütuse koostis, mis kuulub föderaalse osariigi ühtse ettevõtte Permi tehasele. CM. Kirov :
oksüdeeriv aine - ammooniumdinitramiid, 58%;
kütus - alumiiniumhüdriid, 27%;
plastifikaator - nitroisobutüültrinitraatglütseriin, 11, 25%;
sideaine - polübutadieen -nitriilkummi, 2, 25%;
kõvendi - väävel, 1,49%;
põlemisstabilisaator - ülipeen alumiinium, 0,01%;
lisandid - tahm, letsitiin jne.
Rakettkütuste arendamise väljavaated
Vedelraketikütuste arendamise peamised suunad on (rakendamise prioriteetsuse järjekorras):
- ülejahutatud hapniku kasutamine oksüdeerija tiheduse suurendamiseks;
- üleminek kütuseaurudele hapnik + metaan, mille põleval komponendil on 15% suurem energia ja 6 korda parem soojusmahtuvus kui petrooleumil, arvestades asjaolu, et alumiiniummahutid on karastatud vedela metaani temperatuuril;
- osooni lisamine hapniku koostisele 24% tasemel, et suurendada oksüdeerija keemistemperatuuri ja energiat (suur osa osoonist on plahvatusohtlik);
- tiksotroopse (paksenenud) kütuse kasutamine, mille komponendid sisaldavad pentaboraani, pentafluoriidi, metallide või nende hüdriidide suspensioone.
Ülekülmutatud hapnikku kasutatakse juba kanderaketis Falcon 9; Venemaal ja Ameerika Ühendriikides töötatakse välja hapniku + metaaniga töötavaid raketimootoreid.
Tahkete rakettkütuste arendamise peamine suund on üleminek aktiivsetele sideainetele, mis sisaldavad nende molekulides hapnikku, mis parandab tahkete raketikütuste oksüdatsioonitasakaalu tervikuna. Sellise sideaine kaasaegne kodumaine proov on polümeerikompositsioon "Nika-M", mis sisaldab tsüklilisi dinitriildioksiidi ja butüleendioolpolüetereretaanrühmi, mille on välja töötanud riiklik uurimisinstituut "Kristall" (Dzeržinsk).
Paljutõotav suund on ka kasutatud nitramiinlõhkeainete valiku laiendamine, mille hapnikusisaldus on võrreldes HMX -iga kõrgem (miinus 22%). Esiteks on need heksanitroheksaasaasurtsurtaan (Cl-20, hapnikubilanss miinus 10%) ja oktanitrokubaan (hapnikusisalduse null), mille väljavaated sõltuvad nende tootmiskulude vähendamisest-praegu on Cl-20 suurusjärgu võrra kallim kui HMX, on oktonitrokubaan suurusjärgu võrra kallim kui Cl -kakskümmend.
Lisaks teadaolevate komponentide tüüpide täiustamisele viiakse läbi ka uuringuid polümeerühendite loomise suunas, mille molekulid koosnevad eranditult üksiksidemetega ühendatud lämmastikuaatomitest. Kuumutamisel polümeerühendi lagunemise tulemusena moodustub lämmastikust lihtsad molekulid kahest aatomist, mis on ühendatud kolmiksidemega. Sel juhul vabanev energia on kaks korda suurem nitramiini lõhkeaine energiast. Esimest korda said rombikujulise kristallvõrega lämmastikuühendid Venemaa ja Saksa teadlased 2009. aastal, kui nad katsetasid ühisel piloottehases 1 miljoni atmosfääri rõhul ja temperatuuril 1725 ° C. Praegu käib töö lämmastikpolümeeride metastabiilse oleku saavutamiseks tavalisel rõhul ja temperatuuril.
Kõrgemad lämmastikoksiidid on paljulubavad hapnikku sisaldavad keemilised ühendid. Tuntud lämmastikoksiid V (lame molekul, mis koosneb kahest lämmastikuaatomist ja viiest hapniku aatomist) ei oma tahke kütuse komponendina praktilist väärtust selle madala sulamistemperatuuri (32 ° C) tõttu. Sellesuunalised uuringud viiakse läbi, otsides meetodit lämmastikoksiidi VI (tetra-lämmastikheksaksiid) sünteesiks, mille raammolekul on tetraeedri kujuga ja mille tippudes on neli lämmastikuaatomit kuus hapniku aatomit, mis asuvad tetraeedri servades. Aatomitevaheliste sidemete täielik sulgemine lämmastikoksiidi VI molekulis võimaldab ennustada selle suurenenud termilist stabiilsust, sarnaselt urotropiiniga. Lämmastikoksiidi VI hapnikusisaldus (pluss 63%) võimaldab märkimisväärselt suurendada selliste suure energiaga komponentide, nagu metallid, metallhüdriidid, nitramiinid ja süsivesinikpolümeerid, erikaalu tahke raketikütuse puhul.
