В предыдущей части цикла я постарался дать базовое понимание того, как определяется экономичность и эффективность ракетных двигателей и насколько существенно она влияет на общую эффективность ракеты-носителя. Полагаю, что совершенно необходимо напомнить, что в некоторых случаях повышение экономичности ракетного двигателя всего на 8% может принести почти четырехкратный прирост массы полезного груза, который способна вывести на орбиту ракета-носитель при неизменной массе. Разумеется, такой случай - гипотетический, а в реальных условиях ракеты-носители сконструированы вполне оптимально, но все же небольшой прирост экономичности (удельного импульса) – всегда дает существенно больший прирост массы выводимого на орбиту груза. Чтобы оценить масштаб трагедии – посмотрите еще раз иллюстрации к предыдущей части. https://cont.ws/@petruha256/13...
Удельный импульс, который может обеспечить ракетный двигатель, определяется энергоемкостью топлива, составом продуктов сгорания этого самого топлива (или иного рабочего тела), и собственно, конструкцией двигателя. В настоящее время на ракетах-носителях для выведения на орбиту земли используются двигатели, преобразующие энергию сгорания топлива в энергию реактивной струи (химические ракетные двигатели), и именно о топливах, используемых такими двигателями, пойдет речь далее.
Твердые топлива - наверное, самый древний вид ракетного топлива, к плюсам твердого топлива стоит отнести простоту ракетного двигателя, который на нем работает. Правда, простота эта относительна, если сравнивать с двигателями на жидком топливе, и сложностей в конструкции такого двигателя хватает.
Типичный представитель ракет-носителей с твердотопливными двигателями – Delta II. Густой белый выхлоп обусловлен большим содержанием твердых частиц
Хороши твердые топлива для боевых ракет, в которых требуется транспортабельность, длительный срок хранения в готовом к употреблению состоянии. Однако плохи твердые ракетные топлива тем, что имеют очень низкий удельный импульс в силу низкой энергоемкости и большого количества тяжелых твердых частиц в продуктах сгорания. Лучшие серийные образцы ракет на твердом топливе имеют удельный импульс едва ли не худший, чем у самых низкоэффективных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Существенным недостатком твердых топлив является практическая невозможность регулирования тяги двигателя в процессе работы.
Из-за особенностей работы ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) – проектируются они не как самостоятельное изделие, а в составе ступени или ускорителя, представляющую собой совокупность топливного заряда, оболочки, сопла и сопутствующего оборудования. Именно поэтому все, что касается твердых топлив - я расскажу в другой части цикла, целиком посвященной твердотопливным ступеням-ускорителям.
Жидкие топлива в ракетно-космической технике - явление вполне обычное и наиболее распространенное.
Жидкие ракетные топлива хороши тем, что они жидкие, в результате чего их можно подавать в нужном количестве, в нужное время и в нужное место. В результате можно регулировать тягу двигателя, соотношение компонентов, можно останавливать двигатель и вновь его запускать.
Безусловным плюсом жидких ракетных топлив является относительно высокий удельный импульс, который они могут обеспечить, связано это с высокой теплотой сгорания компонентов топлива и с тем, что при сгорании жидких топлив образуются легкие газообразные продукты сгорания (по сравнению с твердыми топливами). Именно эти особенности жидких ракетных топлив привели к их распространению в ракетно-космической технике.
Типичные представители ракет-носителей на жидком топливе – Протон-М и Delta IV heavy. Реактивная струя двигателей практически полностью прозрачная.
Жидкие ракетные топлива бывают одно, двух, трёх и более -компонентные.
Однокомпонентные топлива, что понятно из названия, не требуют смешивания с чем-либо, всё, что нужно для образования горячих газообразных продуктов содержится в этом компоненте топлива.
Несомненным плюсом однокомпонентных топлив могла бы стать простота двигателя, работающего на нем, однако удельный импульс, который можно получить от таких топлив - очень мал по сравнению с двухкомпонентными топливами.
Например, для наиболее распространенных однокомпонентных топлив – перекиси водорода и гидразина теоретический удельный импульс не превышает 2400 м/с и 2650 м/с, соответственно. Чтобы понять много это или мало - гляньте иллюстрации к первой части.
Разумеется в условиях реального двигателя эти величины еще меньше, примерно на четверть.
Известно немало жидких веществ, способных разлагаться с выделением большого количества горячих газов, но использование их в качестве ракетных топлив затруднительно, поскольку чем выше удельный импульс может обеспечить такая жидкость, тем больше энергии в ней содержится и тем опаснее она в обращении.
Например нитрометан, при использовании в качестве ракетного топлива мог бы похвастаться теоретическим удельным импульсом около 3060 м/с и реально достижимым примерно 2400 м/с, что уже близко к твердым ракетным топливам, но он взрывоопасен. Нитроглицерин еще более энергоемкий, и позволил бы иметь удельный импульс двигателя около 2700 м/с, если бы не его высокая чувствительность к механическим воздействиям.
Работа однокомпонентного двигателя малой тяги на гидразине
Итог данного абзаца, для однокомпонентных топлив печален - даже небольшой шаг в сторону роста удельного импульса однокомпонентного топлива ведет к серьёзному росту его взрывоопасности. Ни один из возможных вариантов однокомпонентных топлив и близко не подбирается к двухкомпонентным топливам по эффективности, поэтому удел однокомпонентных топлив – небольшие двигатели орбитальных аппаратов, где выгоднее иметь легкий, простой низкоэффективный двигатель, чем тяжелый, сложный и высокоэффективный двигатель.
Двухкомпонентные жидкие топлива не имеют тех недостатков, которые имеют однокомпонентные, даже пары компонентов, обладающие очень высокой энергоемкостью - относительно взрывобезопасны, поскольку до непосредственного использования в двигателе хранятся в раздельных емкостях, и стоит сказать, что среди пар компонентов топлива имеются такие, которые по энергоемкости превосходят однокомпонентные жидкие топлива в разы. Именно эти два преимущества, а также факт того, что они жидкие - обуславливают широкую распространенность двухкомпонентных жидких ракетных топлив в ракетно-космической технике, особенно в ракетах-носителях.
Двухкомпонентные топлива – это пара, состоящее из окислителя и горючего. Окислителей и горючих, пригодных для использования в ЖРД известно немало, и все возможные их комбинации позволили бы иметь огромное количество пар компонентов, но используется всего несколько пар компонетов, которые в современных условиях оптимальны.
Начнем с самого страшного – окислитель на основе Тетраксида диазота (азотного тетраксида, димера двуокиси азота) и горючее на основе гидразина и его производных – монометилгидразина, диметилгидразина сииметричного и несимметричного (ДМГ и НДМГ).
Российские ракетные двигатели используют пару АТ+НДМГ, американские – АТ+Аэрозин. Аэрозин, это смесь гидразина с НДМГ. В космическую технику данные компоненты топлива пришли из межконтинентальных баллистических ракет, которые были переработаны для осуществления космических запусков.
Чем страшны данные компоненты? Разумеется, своей токсичностью, о которой ходят легенды.
Отпрыски холодной войны – конверсионный «Рокот» и созданный на базе МБР «Titan II GLV», взлетающие в облаках паров азотного тетраксида.
Азотный тетраксид при взаимодействии с водой и воздухом образует азотную кислоту, которая в представлении не нуждается, последствия её вдыхания или контакта с телом весьма обширны, от ожогов и отека легких при кратковременном воздействии больших концентраций до повреждения зубов и костной ткани при систематическом воздействии, однако из окружающей среды азотная кислота вымывается осадками, усваивается минералами почвы, растениями.
Производные гидразина, в частности НДМГ - не столь агрессивен, как азотный тетраксид и ожог получить от него гораздо сложнее, однако токсичность - кратно выше, для того чтобы получить серьёзное отравление – концентрация требуется много меньше, чем для азотного тетраксида. НДМГ при воздействии на организм поражает ЦНС, ЖКТ, печень, имеет свойство накапливаться в организме. Вероятно, он обладает канцерогенными свойствами, но исследований, доказывающих это пока что нет, я знаю многих людей, которые длительное время работали с НДМГ и сейчас живы-здоровы, с другой стороны находятся люди, утверждающие, что их знакомые или родственники заболели онкологией вследствие отравлений НДМГ (я таких не знаю, но ни в коей мере не отрицаю такую опасность). НДМГ в окружающей среде, в отличие от азотной кислоты – не торопится усваиваться и перерабатываться безопасным путем. Нелишне отметить, что способность этих компонентов самовоспламеняться при контакте между собой и агрессивность оксида азота стали причиной нескольких аварий, которые, в том числе, привели к ускоренному выводу из боевого состава американских жидкостных МБР "Titan II".
Наверняка у вас возник вопрос – если эта пара компонентов настолько ужасна, то почему её используют? Основных причин две. Первая причина - при нормальных условиях оба компонента являют собой жидкости, что дает возможность хранить в относительно простых условиях и длительное время держать ракеты в заправленном состоянии, это особенно актуально для баллистических ракет, стоящих на дежурстве. Вторая причина заключается в том, что компоненты самовоспламеняющиеся, т.е. при контакте меду собой они воспламеняются, что дает возможность создавать достаточно простую систему запуска двигателей, существенно упрощая конструкцию. Что же касается энергоемкости этой пары компонентов топлива, то она существенно выше, чем у твердых топлив и однокомпонентных жидких. Теоретический удельный импульс, который может обеспечить данная пара компонентов составляет около 4200 м/с, практический - 3250 м/с.
Еще одним важным преимуществом данной пары компонентов является их достаточно высокая плотность, что позволяет в тот же объем ракеты поместить больше топлива.
Одним из наиболее используемых в ракетах – носителей топлив является пара жидкий кислород + углеводородное горючее (керосин). Плюсы данной пары следующие - они практически нетоксичные (разве что керосин немного), позволяют получить удельный импульс до 3400-3500 м/с, при теоретическом удельном импульсе около 4500 м/с, средняя плотность этого топлива также достаточно высока. Среди особенностей данного топлива стоит отметить то, что окислитель в жидком состоянии существует только при криогенных температурах, что создает некоторые сложности в его использовании, также компоненты не самовоспламеняются при контакте друг с другом, что усложняет систему запуска двигателей, но дополнительные задачи, связанные с этими особенностями успешно решаются и для космических ракет-носителей совершенно не критичны.
Одна из самых совершенных в мире ракет-носителей "Зенит" работает на топливной паре кислород + керосин.
Самое эффективное жидкое ракетное топливо, из широко используемых топлив - это пара жидкий кислород + жидкий водород. Теоретический удельный импульс этого топлива составляет 5640 м/с, практический – до 4450 м/с. Стоит отметить что ракета, имеющая двигатель с таким удельным импульсом в состоянии выводить полезный груз в приемлемых количествах даже в одноступенчатом варианте (посмотрите, что это значит в первой части цикла) . Помимо того, что оба компонента являются криогенными и несамовоспламеняющимися, средняя плотность топлива для этой пары компонентов самая маленькая из известных, и для заправки необходимого количества топлива требуются баки циклопических масштабов (главным образом баки для жидкого водорода). Именно по причине низкой плотности топлива, использовать его на нижних ступенях ракет-носителей экономически нецелесообразно (единственный представитель ракет-носителей с кислород-водородной первой ступенью - Delta IV, о нем расскажу отдельно), а вот для верхних ступеней – самое то. Только представьте, например, на РН «Энергия» и на МТКС «Space Shuttle» 2-я ступень была кислород-водородная, если бы первые ступени этих систем сделали бы также кислород-водородными, то размеры были бы раза в два-три раза больше при той же грузоподъемности.
«Space Shuttle» и «Энергия» Самая габаритная часть системы - кислород-водородная вторая ступень, львиную долю объема которой занимает бак жидкого водорода, при этом стартовая масса 2-й ступени – не более 40% массы ракеты.
Заслуживает внимания такая пара компонентов, как кислород + метан, по балансу характеристик она занимает промежуточное положение между парой кислород + керосин и кислород + водород. Практический удельный импульс двигателя на этом примерно 3750 м/с, при теоретическом удельном импульсе топлива около 4500 м/с. Более высокая плотность, по сравнению с парой кислород + водород делает выгодным его применение в первых ступенях ракет.
В разное время рассматривались различные способы повысить энергоемкость, а следовательно, и удельный импульс жидких ракетных топлив. Наиболее значимые результаты принесли использование окислителей, таких как жидкий озон, жидкий фтор, соединения фтора и хлора между собой и с кислородом а также добавление металлов или их гидридов в горючее. Высокая токсичность и агрессивность экспериментальных окислителей, дефицитность и дороговизна металлов (главным образом бериллия и лития, как наиболее энергоемких), сложность в создании стабильного жидкого горючего, содержащего металлический порошок в нужном количестве – не позволила этим топливам дойти до серийного применения, несмотря на очень высокие показатели удельного импульса, которые они могли обеспечить (4800-5000 м/с для пары фтор-водород, или 5200-5500 для металлосодержащих композиций).
В заключение расскажу немного о трехкомпонентных топливах. Обычно в качестве трехкомпонентных топлив рассматривают композицию, состоящую из одного окислителя, обычно жидкого кислорода, и двух горючих, обычно жидкого водорода и углеводородного горючего (керосина). Такие топлива рассматривают в качестве оптимальных для использования преимуществ более плотного, но менее энергоемкого топлива вначале работы двигателя и менее плотного, но более энергоемкого водорода в завершающей части работы. Делается это для того, чтобы не делить ракету на ступени, а обходиться одним двигателем, при этом баки горючего, в которых заправлен керосин целесообразно сбрасывать после его израсходования. Более подробно о трехкомпонентном топливе я расскажу в следующей части, посвященной ЖРД.
Оценил 31 человек
42 кармы