Raketiniuose degaluose yra kuro ir oksidatoriaus, ir, skirtingai nei reaktyvinis kuras, jam nereikia išorinio komponento: oro ar vandens. Raketinis kuras pagal agregacijos būseną skirstomas į skystą, kietą ir hibridinį. Skystasis kuras skirstomas į kriogeninį (komponentų virimo temperatūra žemiau nulio laipsnių Celsijaus) ir aukštą virimo temperatūrą (likusi dalis). Kietąjį kurą sudaro cheminis junginys, kietas tirpalas arba plastifikuotas komponentų mišinys. Hibridinį kurą sudaro sudedamosios dalys skirtingose agregatinėse būsenose ir šiuo metu yra tyrimo stadijoje.
Istoriškai pirmasis raketų kuras buvo juodieji milteliai, salietro (oksidatoriaus), medžio anglies (kuro) ir sieros (rišiklio) mišinys, kuris pirmą kartą buvo panaudotas Kinijos raketose II amžiuje po Kr. Šaudmenys su kietojo raketinio kuro raketiniu varikliu (kietojo raketinio raketinio variklio) kariniuose reikaluose buvo naudojami kaip padegamoji ir signalinė priemonė.
Pabaigoje išradus nerūkančius miltelius, jo pagrindu buvo sukurtas vienkomponentis balistinis kuras, susidedantis iš kieto nitroceliuliozės (kuro) tirpalo nitroglicerine (oksiduojančioje medžiagoje). „Ballistite“kuras turi daug didesnės energijos, palyginti su juodais milteliais, turi didelį mechaninį stiprumą, yra gerai suformuotas, ilgą laiką išlaiko cheminį stabilumą saugojimo metu ir turi mažą kainą. Šios savybės lėmė platų balistinių degalų naudojimą masyviausiuose šaudmenyse, turinčiuose kietąsias raketines medžiagas - raketas ir granatas.
Dvidešimto amžiaus pirmoje pusėje išsivystę tokios mokslo disciplinos kaip dujų dinamika, degimo fizika ir didelės energijos junginių chemija leido išplėsti raketinio kuro sudėtį naudojant skystus komponentus. Pirmojoje kovinėje raketoje su skystojo kuro raketiniu varikliu (LPRE) „V -2“buvo naudojamas kriogeninis oksidatorius - skystas deguonis ir aukštai verdantis kuras - etilo alkoholis.
Po Antrojo pasaulinio karo raketiniai ginklai buvo kuriami prioritetu, palyginti su kitų rūšių ginklais, nes jie sugebėjo pristatyti branduolinius užtaisus į taikinį bet kokiu atstumu - nuo kelių kilometrų (raketų sistemos) iki tarpžemyninio nuotolio (balistinės raketos). Be to, raketiniai ginklai gerokai išstūmė artilerijos ginklus aviacijoje, oro gynyboje, sausumos pajėgose ir kariniame jūrų laivyne dėl to, kad trūksta atatrankos jėgos paleidžiant šaudmenis su raketiniais varikliais.
Kartu su balistiniu ir skystuoju raketiniu kuru daugiakomponentės mišrios kietosios raketinės dujos buvo sukurtos kaip tinkamiausios kariniam naudojimui dėl plataus veikimo temperatūros diapazono, pašalinus komponentų išsiliejimo pavojų, mažesnės kietojo kuro raketinių variklių kainos, nes nėra vamzdynai, vožtuvai ir siurbliai, turintys didesnę trauką svorio vienetui.
Pagrindinės raketinio kuro savybės
Be jo sudedamųjų dalių agregacijos būklės, raketų degalams būdingi šie rodikliai:
- specifinis traukos impulsas;
- terminis stabilumas;
- cheminis stabilumas;
- biologinis toksiškumas;
- tankis;
- dūmas.
Konkretus raketinio kuro traukos impulsas priklauso nuo slėgio ir temperatūros variklio degimo kameroje, taip pat nuo degimo produktų molekulinės sudėties. Be to, specifinis impulsas priklauso nuo variklio purkštuko išsiplėtimo santykio, tačiau tai labiau susiję su išorine raketų technologijos aplinka (oro atmosfera ar kosmosas).
Padidėjęs slėgis užtikrinamas naudojant didelio stiprumo konstrukcines medžiagas (plieno lydinius raketų varikliams ir organinius plastikus kietosioms raketoms). Šiuo aspektu skystojo kuro raketiniai varikliai lenkia kietus raketinius variklius dėl jų varomojo agregato kompaktiškumo, palyginti su kietojo kuro variklio korpusu, kuris yra viena didelė degimo kamera.
Aukšta degimo produktų temperatūra pasiekiama į kietąjį kurą pridedant metalo aliuminio arba cheminio junginio - aliuminio hidrido. Skystas kuras gali naudoti tokius priedus tik tuo atveju, jei jie yra sutirštinti specialiais priedais. Šiluminė skystųjų raketinių raketų variklių apsauga užtikrinama aušinant degalais, šiluminė kietųjų raketinių variklių apsauga-tvirtai pritvirtinant kuro bloką prie variklio sienelių ir naudojant perdegimo įdėklus, pagamintus iš anglies-anglies kompozito kritinėje dalyje. antgalis.
Kuro degimo / skilimo produktų molekulinė sudėtis turi įtakos srautui ir jų agregacijai purkštuko išėjime. Kuo mažesnė molekulių masė, tuo didesnis srautas: labiausiai pageidaujami degimo produktai yra vandens molekulės, po to seka azotas, anglies dioksidas, chloro oksidai ir kiti halogenai; mažiausiai pageidautinas yra aliuminio oksidas, kuris variklio purkštuke kondensuojasi iki kietos medžiagos, taip sumažindamas besiplečiančių dujų tūrį. Be to, aliuminio oksido frakcija verčia naudoti kūginius purkštukus dėl efektyviausių parabolinių „Laval“purkštukų abrazyvinio susidėvėjimo.
Karinio raketinio kuro atveju jų šiluminis stabilumas yra ypač svarbus dėl plataus raketų technologijos veikimo temperatūros diapazono. Todėl kriogeninis skystasis kuras (deguonis + žibalas ir deguonis + vandenilis) buvo naudojamas tik pradiniame tarpžemyninių balistinių raketų (R-7 ir Titan) kūrimo etape, taip pat daugkartinio naudojimo erdvėlaivių raketoms (Space Shuttle ir „Energia“), skirta palydovams ir kosminiams ginklams paleisti į žemos žemės orbitą.
Šiuo metu kariuomenė naudoja tik aukštai verdantį skystą kurą, kurio pagrindą sudaro azoto tetroksidas (AT, oksidatorius) ir asimetriškas dimetilhidrazinas (UDMH, kuras). Šios degalų poros šiluminį stabilumą lemia AT virimo temperatūra (+ 21 ° C), kuri riboja šio kuro naudojimą raketomis termostatuojamomis sąlygomis ICBM ir SLBM raketų silose. Dėl komponentų agresyvumo jų gamybos ir raketų tankų eksploatavimo technologija priklausė / priklauso tik vienai pasaulio šaliai - SSRS / RF (ICBM "Voevoda" ir "Sarmat", SLBM "Sineva" ir " Linijinis "). Išimtimi AT + NDMG naudojamas kaip kuras „Kh-22 Tempest“orlaivių sparnuotosioms raketoms, tačiau dėl problemų, susijusių su eksploatavimu ant žemės, „Kh-22“ir naujos kartos „Kh-32“planuojama pakeisti reaktyviniu varikliu. Cirkonio sparnuotosios raketos, kuriose kaip kuras naudojamas žibalas.
Kietojo kuro šiluminį stabilumą daugiausia lemia atitinkamos tirpiklio ir polimero rišiklio savybės. Balistinio kuro sudėtyje tirpiklis yra nitroglicerinas, kurio kietame tirpale su nitroceliulioze veikimo temperatūra yra nuo minus iki plius 50 ° C. Mišriame kure kaip polimerinis rišiklis naudojamos įvairios sintetinės gumos, kurių darbinė temperatūra yra tokia pati. Tačiau pagrindinių kietojo kuro komponentų (amonio dinitramido + 97 ° C, aliuminio hidrido + 105 ° C, nitroceliuliozės + 160 ° C, amonio perchlorato ir HMX + 200 ° C) šiluminis stabilumas žymiai viršija panašią žinomų rišiklių savybę., todėl aktuali jų naujų kompozicijų paieška.
Chemiškai labiausiai stabili degalų pora yra AT + UDMG, nes jai buvo sukurta unikali buitinė ampulizuoto laikymo aliuminio talpyklose, esant nedideliam azoto slėgiui beveik neribotą laiką, technologija. Visas kietasis kuras ilgainiui chemiškai suyra dėl savaiminio polimerų ir jų technologinių tirpiklių irimo, po kurio oligomerai pradeda chemines reakcijas su kitais, stabilesniais kuro komponentais. Todėl kietojo raketinio kuro tikrintuvus reikia reguliariai keisti.
Biologiškai toksiškas raketinio kuro komponentas yra UDMH, kuris veikia centrinę nervų sistemą, akių gleivinę ir žmogaus virškinamąjį traktą bei išprovokuoja vėžį. Šiuo atžvilgiu darbas su UDMH atliekamas izoliuojant chemines apsaugos kostiumus, naudojant autonominius kvėpavimo aparatus.
Kuro tankio vertė tiesiogiai veikia LPRE kuro bakų ir kietojo kuro raketų korpuso masę: kuo didesnis tankis, tuo mažesnė raketos parazitinė masė. Mažiausias vandenilio ir deguonies kuro poros tankis yra 0,34 g / kub. cm, žibalo + deguonies poros tankis yra 1,09 g / kub. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / kub. cm, nitroceliuliozė + nitroglicerinas - 1,62 g / kub. cm, aliuminio / aliuminio hidridas + perchloratas / amonio dinitramidas - 1,7 g / cm3, HMX + amonio perchloratas - 1,9 g / cm3. Šiuo atveju reikia nepamiršti, kad ašinio degimo kietojo kuro raketinis variklis, kuro įkrovos tankis yra maždaug du kartus mažesnis už degalų tankį dėl degimo kanalo žvaigždės formos dalies palaikyti pastovų slėgį degimo kameroje, neatsižvelgiant į kuro perdegimo laipsnį. Tas pats pasakytina apie balistinį kurą, kuris yra suformuotas kaip diržų ar lazdelių rinkinys, siekiant sutrumpinti raketų ir raketų degimo laiką ir pagreičio atstumą. Priešingai nei jie, kuro įkrovos tankis galinio degimo kietojo kuro raketiniuose varikliuose, pagrįstuose HMX, sutampa su jam nurodytu didžiausiu tankiu.
Paskutinė iš pagrindinių raketinio kuro savybių yra degimo produktų dūmai, vizualiai demaskuojantys raketų ir raketų skrydį. Ši savybė būdinga kietam kurui, kuriame yra aliuminio, kurio oksidai, išsiplėtę raketų variklio antgalyje, kondensuojasi į kietą būseną. Todėl šie degalai naudojami kietosiose balistinių raketų raketose, kurių aktyvioji trajektorijos atkarpa yra už priešo žvilgsnio ribų. Lėktuvų raketos varomos HMX ir amonio perchlorato degalais, raketos, granatos ir prieštankinės raketos - balistiniais degalais.
Raketinio kuro energija
Norint palyginti įvairių tipų raketinių degalų energijos galimybes, būtina nustatyti jiems palyginamas degimo sąlygas slėgio degimo kameroje ir raketinio variklio purkštuko išsiplėtimo santykio pavidalu - pavyzdžiui, 150 atmosferų ir 300 kartų plėtra. Tada kuro poroms / trynukams konkretus impulsas bus:
deguonis + vandenilis - 4,4 km / s;
deguonis + žibalas - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amonio dinitramidas + vandenilio hidridas + HMX - 3,2 km / s;
amonio perchloratas + aliuminis + HMX - 3,1 km / s;
amonio perchloratas + HMX - 2,9 km / s;
nitroceliuliozė + nitroglicerinas - 2,5 km / s.
Kietasis kuras, kurio pagrindą sudaro amonio dinitramidas, yra devintojo dešimtmečio pabaigos buitinė gamyba, jis buvo naudojamas kaip kuras antrajam ir trečiajam RT-23 UTTKh ir R-39 raketų etapams, o geriausiais mėginiais jo energijos charakteristikos dar nepralenkė. svetimo kuro, kurio pagrindą sudaro amonio perchloratas, naudojamas raketose „Minuteman-3“ir „Trident-2“. Amonio dinitramidas yra sprogmuo, detonuojantis net nuo šviesos spindulių, todėl jis gaminamas patalpose, apšviestose mažos galios raudonomis lempomis. Technologiniai sunkumai neleido įsisavinti jo pagrindu raketinio kuro gamybos proceso bet kurioje pasaulio vietoje, išskyrus SSRS. Kitas dalykas yra tai, kad sovietinė technologija buvo įprastai diegiama tik Pavlogrado chemijos gamykloje, esančioje Ukrainos TSR Dniepropetrovsko srityje, ir buvo prarasta praėjusio amžiaus dešimtajame dešimtmetyje, kai gamykla buvo pakeista buitinės chemijos gamybai. Tačiau, sprendžiant iš perspektyvių RS-26 „Rubezh“tipo ginklų taktinių ir techninių savybių, ši technologija Rusijoje buvo atkurta 2010-aisiais.
Labai efektyvios sudėties pavyzdys yra kietojo raketinio kuro sudėtis iš Rusijos patento Nr. CM. Kirovas :
oksidatorius - amonio dinitramidas, 58%;
kuras - aliuminio hidridas, 27%;
plastifikatorius - nitroizobutiltrinitrateglicerinas, 11, 25%;
rišiklis - polibutadieno nitrilo kaučiukas, 2, 25%;
kietiklis - siera, 1,49%;
degimo stabilizatorius - itin plonas aliuminis, 0,01%;
priedai - juodoji anglis, lecitinas ir kt.
Raketinio kuro plėtros perspektyvos
Pagrindinės skystojo raketinio kuro kūrimo kryptys yra (įgyvendinimo prioritetų tvarka):
- peršaldyto deguonies naudojimas siekiant padidinti oksidatoriaus tankį;
- perėjimas prie degalų garų deguonies + metano, kurio degusis komponentas turi 15% didesnę energiją ir 6 kartus geresnę šiluminę galią nei žibalas, atsižvelgiant į tai, kad aliuminio talpyklos yra sukietintos skysto metano temperatūroje;
- 24% ozono pridėjimas prie deguonies sudėties, kad padidėtų oksidatoriaus virimo temperatūra ir energija (didelė ozono dalis yra sprogi);
- tiksotropinio (sutirštinto) kuro, kurio sudėtyje yra pentaborano, pentafluorido, metalų ar jų hidridų suspensijų, naudojimas.
Neperšaltas deguonis jau naudojamas raketose „Falcon 9“, deguonis + metanas varomi raketų varikliai kuriami Rusijoje ir JAV.
Pagrindinė kietojo raketinio kuro kūrimo kryptis yra perėjimas prie aktyvių rišiklių, kurių molekulėse yra deguonies, o tai pagerina kietojo raketinio kuro oksidacijos pusiausvyrą. Šiuolaikinis buitinis tokio rišiklio pavyzdys yra polimerinė kompozicija „Nika-M“, apimanti ciklines dinitrilo dioksido ir butilendiolio polieteruretano grupes, sukurta Valstybinio tyrimų instituto „Kristall“(Dzeržinskas).
Kita perspektyvi kryptis - panaudotų nitramino sprogmenų, kurių deguonies balansas yra didesnis nei HMX (minus 22%), asortimento išplėtimas. Visų pirma, tai yra heksanitroheksaazaizowurtzitanas (Cl-20, deguonies balansas minus 10%) ir oktanitrokubanas (nulinis deguonies balansas), kurių perspektyvos priklauso nuo jų gamybos sąnaudų mažinimo-šiuo metu Cl-20 yra brangesnis nei HMX, oktonitrokubanas yra brangesnis nei Cl -dvidešimt.
Be to, kad būtų patobulinti žinomi komponentų tipai, taip pat atliekami tyrimai, siekiant sukurti polimerinius junginius, kurių molekules sudaro tik azoto atomai, sujungti atskiromis jungtimis. Dėl polimero junginio skilimo kaitinant azotas sudaro paprastas dviejų atomų molekules, sujungtas trigubu ryšiu. Šiuo atveju išsiskirianti energija yra dvigubai didesnė už nitramino sprogmenų energiją. Pirmą kartą azoto junginius su į deimantą panašiomis kristalinėmis gardelėmis Rusijos ir Vokietijos mokslininkai gavo 2009 m., Atlikdami eksperimentus bendroje bandomojoje gamykloje, veikiant 1 milijono atmosferų slėgiui ir esant 1725 ° C temperatūrai. Šiuo metu vyksta darbas, norint pasiekti azoto polimerų metastabilią būseną esant normaliam slėgiui ir temperatūrai.
Didesni azoto oksidai yra perspektyvūs deguonies turintys cheminiai junginiai. Gerai žinomas azoto oksidas V (plokščia molekulė, susidedanti iš dviejų azoto atomų ir penkių deguonies atomų) neturi jokios praktinės vertės kaip kietojo kuro komponentas dėl žemos lydymosi temperatūros (32 ° C). Tyrimai šia kryptimi atliekami ieškant azoto oksido VI (tetra-azoto heksaoksido), kurio pagrindinė molekulė yra tetraedro formos, sintezės, kurios viršūnėse yra keturi azoto atomai, sintezės metodo. šeši deguonies atomai, esantys tetraedro kraštuose. Visiškas atominių jungčių uždarymas azoto oksido VI molekulėje leidžia numatyti padidėjusį šiluminį stabilumą, panašų į urotropino. Dėl azoto oksido VI deguonies balanso (plius 63%) galima žymiai padidinti tokių didelės energijos komponentų, kaip metalai, metalų hidridai, nitraminai ir angliavandenilių polimerai, kietąjį raketinį kurą.
