Секретное горючее: пища богов
- V-2 («Фау-2») легла в базу всей послевоенной ракетной техники, и американской, и советской
Запуск 900 ракет «Фау-2» потребовал 12 тыс. т жидкого кислорода, 4 тыс. тысячь киллограм этилового спирта, 2 тыс. т метанола, 500 т перекиси водорода и 1,5 тыс. т взрывчатки
Вместо спирта, что наровне с жидким кислородом применял Вернер фон Браун, Королев для собственных первых ракет выбрал керосин
- Ни бензин, не керосин, ни ДТ не воспламеняются сами при сотрудничестве с кислотой, а для армейских ракет самовоспламенение — одно из главных требований к горючему
Ракета S-4B, третья ступень еще одного детища Вернера фон Брауна — самой замечательной американской ракеты-носителя Saturn V. В активе последней — 13 успешных запусков (с 1967 по 1973 год). Как раз с ее помощью человек ступил на Луну
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) — весьма идеальные автомобили, и их характеристики на 90%, в противном случае и больше, определяются примененным горючим. Эффективность же топлива зависит от состава и запасенной энергии. Совершенное горючее должно складываться из легких элементов — из самого начала таблицы Менделеева, дающих большую энергию при окислении.
Но это не все требования к горючему — еще оно должно быть совместимым с конструкционными материалами, стабильным при хранении и по возможности недорогим. Но ракета — это не только двигатель, но еще и баки ограниченного количества: дабы взять на борт больше топлива, его плотность должна быть повыше. Не считая топлива ракета везет с собой и окислитель.
Совершенный окислитель с позиций химии — жидкий кислород. Но одной химией ракета не ограничивается, это конструкция, в которой все взаимоувязано. Вернер фон Браун выбрал для Фау-2 жидкий кислород и спирт, и дальность ракеты оказалась 270 км.
Но если бы ее двигатель трудился на дизельном топливе и азотной кислоте, то дальность увеличилась бы на четверть, по причине того, что для того чтобы топлива в те же баки помещается на две тонны больше!
Ракетное горючее — кладовая химической энергии в компактном виде. Горючее тем лучше, чем больше энергии запасает. Исходя из этого вещества, хорошие для ракетного горючего, неизменно очень химически активны, непрерывно пробуют высвободить скрытую энергию, разъедая, сжигая и разрушая все около. Все ракетные окислители или взрывоопасны, или ядовиты, или нестойки.
Жидкий кислород — единственное исключение, да и то лишь вследствие того что природа приучилась к 20% свободного кислорода в воздухе. Но кроме того жидкий кислород требует уважения.
Хранить всегда
Баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, созданные под управлением Сергея Королева, не только продемонстрировали перспективность этого вида оружия, но и дали осознать, что жидкий кислород не весьма подходит для боевых ракет. Не обращая внимания на то, что Р-5М первенствовала ракетой с ядерной боеголовкой, а в 1955 году кроме того было произведено настоящее опробование с подрывом ядерного заряда, военных не устраивало, что ракету необходимо заправлять перед стартом.
Требовалась замена жидкому кислороду, замена полноценная, такая, чтобы и в сибирские морозы не мёрзла, и в каракумскую жару не выкипала: другими словами с диапазоном температур от -55 градусов до +55 градусов Цельсия. Действительно, с кипением в баках неприятностей не ожидалось, поскольку давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения больше. Но кислород ни при каком давлении не будет жидким при температуре выше критической, другими словами -113 градусов Цельсия.
А таких морозов кроме того в Антарктиде не бывает.
Азотная кислота HNO3 — второй очевидный окислитель для ЖРД, и ее применение в ракетной технике шло параллельно с жидким кислородом. Соли азотной кислоты — нитраты, в особенности калийная селитра — уже большое количество столетий употреблялись как окислитель самого первого ракетного горючего — тёмного пороха.
Молекула азотной кислоты содержит как балласт только один атом азота да «половинку» молекулы воды, а два с половиной атома кислорода смогут быть использованы для окисления горючего. Но азотная кислота — весьма «умное» вещество, так необычное, что непрерывно реагирует само с собой — атомы водорода от одной молекулы кислоты отщепляются и прицепляются к соседним, образуя непрочные, но очень химически активные агрегаты. Вследствие этого в азотной кислоте в обязательном порядке образуются разнообразные примеси.
Помимо этого, азотная кислота разумеется не удовлетворяет требованиям совместимости с конструкционными материалами — под нее намерено приходится подбирать металл для баков, труб, камер ЖРД. Однако «азотка» стала популярным окислителем еще в 1930-е годы — она недорога, производится много, достаточно стабильна, дабы ею возможно было охлаждать камеру двигателя, пожаро- и взрывобезопасна.
Плотность ее заметно больше, чем у жидкого кислорода, но основное ее преимущество если сравнивать с жидким кислородом пребывает в том, что она не выкипает, не требует теплоизоляции, может неограниченно продолжительно храниться в подходящей таре. Лишь где ее забрать, подходящую тару?
Все 1930-е и 1940-е годы прошли под знаменем поиска подходящих емкостей для азотной кислоты. Но кроме того самые стойкие сорта нержавеющей стали медлительно разрушались концентрированной азоткой, в следствии на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов, что, конечно же, нельзя подавать в ракетный двигатель — он мгновенно забьется и взорвется.
Для уменьшения коррозионной активности азотной кислоты в нее стали добавлять разные вещества, пробуя, обычно способом ошибок и проб, отыскать комбинацию, которая бы, с одной стороны, не сломала окислитель, с другой — сделала его более эргономичным в применении. Но успешная добавка нашлась лишь в конце 1950-х американскими химиками — оказалось, что всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали вдесятеро! Советские химики задержались с этим открытием лет на десять-пятнадцать.
Тайные присадки
Однако первый в СССР ракетный самолет-перехватчик БИ-1 применял как раз керосин и азотную кислоту. трубы и Баки было нужно делать из монель-меди — сплава и металла никеля. Данный сплав получался «естественным» образом из некоторых полиметаллических руд, исходя из этого был популярным конструкционным материалом второй трети ХХ века. О его внешнем виде возможно делать выводы по железным рублям — они сделаны из практически «ракетного» сплава.
На протяжении войны не хватало, но, не только меди с никелем, но и нержавеющей стали. Приходилось применять простую, покрытую для защиты хромом. Но узкий слой скоро проедался кислотой, исходя из этого по окончании каждого запуска двигателя остатки топливной смеси приходилось скребками удалять из камеры сгорания — техники невольно вдыхали ядовитые испарения.
Один из пионеров ракетной техники Борис Черток в один раз чуть не погиб при взрыве двигателя для БИ-1 на стенде, данный эпизод он обрисовал в собственной превосходной книге «Ракеты и люди».
Кроме добавок, снижающих агрессивность азотной кислоты, в нее пробовали додавать различные вещества, дабы повысить ее эффективность как окислителя. самоё результативным веществом была двуокись азота, еще одно «необычное» соединение. В большинстве случаев — газ бурого цвета, с резким неприятным запахом, но стоит его легко охладить, он сжижается и две молекулы двуокиси склеиваются в одну. Исходя из этого соединение довольно часто именуют четырехокисью азота, либо азотным тетраоксидом — АТ.
При атмосферном давлении АТ кипит при комнатной температуре (+21 градус), а при -11 градусах мёрзнет. Чем ближе к точке замерзания, тем бледнее цвет соединения, становящегося под конец бледно-желтым, а в жёстком состоянии — практически бесцветным. Это оттого, что газ состоит преимущественно из молекул NO2, жидкость — из смеси NO2 и димеров N2O4, а в жёстком веществе остаются одни лишь бесцветные димеры.
Добавка АТ в азотную кислоту увеличивает эффективность окислителя сходу по ряду причин — АТ содержит меньше «балласта», связывает попадающую в окислитель воду, что сокращает коррозионную активность кислоты. Самое увлекательное, что с растворением АТ в АК плотность раствора сперва растет и достигает максимума при 14% растворенного АТ. Этот вариант состава и выбрали американские ракетчики для собственных боевых ракет.
Отечественные же стремились повысить характеристики двигателей любой ценой, исходя из этого в окислителях АК-20 и АК-27 было по 20% и 27% соответственно растворенного азотного тетраоксида. Первый окислитель употреблялся в зенитных ракетах, а второй — в баллистических. КБ Янгеля создало ракету средней дальности Р-12, которая применяла АК-27 и особый сорт керосина ТМ-185.
Зажигалки
Параллельно поискам лучшего окислителя шли поиски оптимального горючего. Военных больше всего устраивал бы продукт перегонки нефти, но и другие вещества, если они производились в достаточных количествах и стоили недорого, также возможно было применять. Неприятность была одна — ни бензин, ни керосин, ни ДТ не воспламеняются сами при взаимодействии с азотной кислотой, а для армейских ракет самовоспламенение — одно из главных требований к горючему.
Не смотря на то, что отечественная первая межконтинентальная ракета Р-7 применяла несколько «керосин — жидкий кислород», стало ясно, что пиротехническое зажигание некомфортно для боевых ракет. При подготовке ракеты к пуску требовалось вручную засунуть в каждое сопло (а их у Р-7 ни большое количество ни мало 32−20 рулевых и основных 12 камер) древесную крестовину с зажигательной шашкой, подключить все электропровода, которыми шашки воспламеняются, и выполнить еще большое количество различных подготовительных операций.
В Р-12 эти недочёты были учтены, и зажигание обеспечивалось пусковым горючим, которое самовоспламенялось при взаимодействии с азотной кислотой. Его состав был отыскан еще германскими ракетчиками на протяжении Второй мировой, и именовалось оно «Узка-250». Отечественные ракетчики переименовали его в соответствии с ГОСТами в ТГ-02.
Сейчас ракета имела возможность находиться заправленной пара недель, и это был громадной успех, поскольку ее возможно было бы запустить в течение пары часов вместо трех дней для Р-7. Но три компонента — большое количество для боевой ракеты, а для применения в качестве главного горючего ТГ-02 годился лишь для зенитных ракет; для баллистических ракет дальнего действия необходимо было что-то более действенное.
Гиперголики
Химики назвали пары веществ, самовоспламеняющихся при взаимодействии, «гиперголическими», другими словами, в приблизительном переводе с греческого, имеющими чрезмерное сродство между собой. Они знали, что оптимальнее воспламеняются с азотной кислотой вещества, имеющие в составе, не считая водорода и углерода, азот. Но «лучше» — это как?
Задержка самовоспламенения — главное свойство для пар веществ, каковые мы желаем сжечь в ракетном двигателе. Представьте — включили подачу, окислитель и горючее накапливаются в камере, а воспламенения нет! Но, в то время, когда оно наконец происходит, замечательный взрыв разносит камеру ЖРД на кусочки.
Для определения задержки самовоспламенения различные исследователи строили самые различные по сложности стенды — от двух пипеток, синхронно выдавливающих по капельке горючего и окислителя, до мелких ракетных двигателей без сопла — форсуночная головка и маленькая цилиндрическая труба. Все равно взрывы раздавались частенько, действуя на нервы, выбивая стекла и повреждая датчики.
Весьма скоро был обнаружен «совершенный гиперголь» — гидразин, старый знакомый химиков. Это вещество, имеющее формулу N2H4, по физическим особенностям весьма похоже на воду — плотность на пара процентов больше, температура замерзания +1,5 градуса, кипения +113 градусов, вязкость и все другое — как у воды, но вот запах
Гидразин был взят в первый раз в чистом виде в конце XIX века, а в составе ракетного горючего в первый раз употреблен немцами в первой половине 30-ых годов XX века, но в качестве относительно маленькой добавки для самовоспламенения. Как независимое горючее гидразин был дорог, производство его не хватает, но, основное, военных не устраивала его температура замерзания — выше, чем у воды! Нужен был «гидразиновый антифриз», и его поиски шли непрерывно. Уж весьма гидразин оптимален!
Вернер фон Браун для запуска первого спутника США «Эксплорер» заменил спирт в ракете «Редстоун» на «гидин» (Hydyne), смесь 60% спирта и 40% гидразина. Такое горючее улучшило энергетику первой ступени, но с целью достижения нужных черт было нужно удлинить баки.
Гидразин, как и аммиак NH3, состоит лишь из водорода и азота. Но в случае если при образовании аммиака из элементов энергия выделяется, то при образовании гидразина энергия поглощается — как раз исходя из этого прямой синтез гидразина неосуществим. Но поглощенная при образовании энергия выделится позже при сгорании гидразина в ЖРД и отправится на увеличение удельного импульса — главного показателя совершенства двигателя.
Пара кислород-керосин дает возможность приобрести удельную тягу для двигателей первой ступени недалеко от 300 секунд. Замена жидкого кислорода на азотную кислоту ухудшает эту величину до 220 секунд. Такое ухудшение требует повышения стартовой массы практически вдвое.
В случае если же заменить керосин гидразином, солидную часть этого ухудшения возможно «отыграть». Но армейским было необходимо, дабы горючее не мёрзло, и они потребовали альтернативу.
Дороги разошлись
В этот самый момент пути отечественных и американских химиков разошлись! В СССР химики придумали метод получения несимметричного диметилгидразина, а американцы предпочли более несложный процесс, в котором получался монометилгидразин. Обе эти жидкости, не обращая внимания на их чрезвычайную ядовитость, устраивали и конструкторов, и военных.
К аккуратности при обращении с страшными веществами ракетчикам было не привыкать, но все же новые вещества были такими токсичными, что простой противогаз не справлялся с очисткой воздуха от их паров! Необходимо было или применять изолирующий противогаз, или особый патрон, что окислял токсичные пары до надёжного состояния. Но метилированные производные гидразина были менее взрывоопасными, меньше впитывали водяные пары, были термически более стойкими.
Но вот плотность и температура кипения если сравнивать с гидразином понизились.
Исходя из этого поиски длились. Американцы одно время весьма обширно применяли «Аэрозин-50» — помесь гидразина и НДМГ, что было следствием изобретения технологического процесса, в котором они получались в один момент. Позднее данный метод был вытеснен более идеальными, но «Аэрозин-50» успел распространиться, и на нем летали и баллистические ракеты «Титан-2», и корабль «Аполлон».
Ракета «Сатурн-5» разгоняла его к Луне на кислороде и жидком водороде, но личный двигатель «Аполлона», которому необходимо было включаться пара раз в течение недельного полета, должен был применять самовоспламеняющееся долгохранимое горючее.
Тепличные условия
Но дальше с баллистическими ракетами случилась необычная видоизменение — они спрятались в шахты, для защиты от первого удара соперника. Наряду с этим уже не требовалось морозоустойчивости, поскольку в шахте воздушное пространство подогревался зимний период и охлаждался летом! Горючее возможно было подбирать, не учитывая его морозостойкости.
И сразу же двигателисты отказались от азотной кислоты, перейдя на чистый азотный тетраоксид. Тот самый, что кипит при комнатной температуре! Так как давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения нас тревожит значительно меньше.
Но сейчас коррозия баков и трубопроводов уменьшилась так, что произошло хранить ракету заправленной в течении всего срока боевого дежурства! Первой ракетой, которая имела возможность находиться заправленной 10 лет подряд, стала УР-100 конструкции КБ Челомея. Практически в один момент с ней показалась значительно более тяжелая Р-36 компании Янгеля.
Сегодняшний ее потомок, последняя модификация Р-36М2, не считая баков, мало имеет неспециализированного с начальной ракетой.
По энергетическим чертям пары «кислород — четырехокись» и «керосин азота — НДМГ» весьма близки. Но первая пара хороша для космических ракет-носителей, а вторая — для МБР шахтного базирования. Для работы с этими ядовитыми веществами была создана особая разработка — ампулизация ракеты по окончании заправки. Суть ее понятен из заглавия: все магистрали перекрываются необратимо, дабы избежать кроме того мельчайших утечек.
В первый раз она была применена на ракетах для подводных лодок, каковые также применяли такое горючее.
Жёсткое горючее
Американские же ракетчики для боевых ракет предпочли жёсткое горючее. Оно имело пара нехорошие характеристики, но ракета потребовала значительно меньше подготовительных операций при запуске. Отечественные также пробовали применять твердотопливные ракеты, но последнюю ступень все равно приходилось делать жидкостной, чтобы скомпенсировать разброс работы твердотопливных двигателей, каковые нереально регулировать так, как жидкостные.
А позднее, в то время, когда показались ракеты с несколькими боеголовками, на последнюю жидкостную ступень легла задача «разведения» их по целям. Так что пара «АТ-НДМГ» без работы не осталась. Не остается и по сей день: на этом горючем трудятся двигатели космического корабля «Альянс», Интернациональной космической станции и многих вторых аппаратов.
Не думай о секундах свысока
Эффективность ракетного двигателя измеряется его удельным импульсом — отношением силы тяги к расходу рабочего тела. Не смотря на то, что в совокупности СИ удельный импульс выражается в м/с, инженеры предпочитают применять иные меры. Тягу они измеряют в килограммах силы (кгс), а расход рабочего тела — как в большинстве случаев, в килограммах массы (кг) в секунду.
В этом случае размерность удельного импульса — это кгс/кг/с, другими словами кгс/кг, умноженное на секунду. Но отношение кгс/кг — величина постоянная, и в случае если ее условно принять за единицу, то удельный импульс будет измеряться легко в секундах. В этом случае данный показатель получает весьма наглядный физический суть: это тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма массы рабочего тела.
Громаднейшее количество тепла выделяется при сгорании чистого водорода в чистом кислороде. Двигатель на водородно-кислородном горючем владеет и самым громадным удельным импульсом, примерно 450 с (как раз таков показатель водородно-кислородных двигателей американских шаттлов). Удельные импульсы всех других двигателей на химическом горючем очень сильно не дотягивают до этого оптимума. Большой удельный импульс русских двигателей РД-107 образовывает 314 с, двигателей второй ступени американской ракеты Titan-4 — 316 с, твердотопливных разгонных бустеров евроракеты Ariane-5 — 271 с.
Чтобы никто не додумался
Так из-за чего все же «гептил»? Только дабы «неприятель не додумался». Германские ракетчики кроме этого засекречивали все вещества.
К примеру, этиловый спирт с добавками, которым заправляли ракету Фау-2, именовался у них «вещество А», а жидкий кислород — «вещество B». Горючее из гидразина и метилового спирта для ЖРД Вальтера для самолета Мессершмит-163 — «вещество C», концентрированная перекись водорода — «вещество T», а катализатор для ее разложения, раствор перманганата натрия, — «вещество W». Отечественные переняли таковой подход, но заглавия дали собственные.
НДМГ назвали «гептил», а четырех-окись азота — «амил». Таких веществ нет в природе, эти заглавия по химической классификации принадлежат свободным радикалам — молекулам, в которых не достаточно одного либо более атомов. Такие молекулы не смогут существовать продолжительно, они в обязательном порядке присоединяются к вторым молекулам, для этого время от времени отрывая от них атомы.
Вообще-то горючее из свободных радикалов — недостижимая мечта химиков, потому, что метода стабилизации радикалов пока не придумано. Так вот, шпион, столкнувшись с этими заглавиями, должен был бы сделать вывод, что советские химики победили либо одурачили природу, вынудив физики и законы химии трудиться по-новому.
Космическая свечка
- Стенд для опробований гибридного горючего, выстроенный в исследовательском центре NASA им. Эймса
В базе нового гибридного горючего, созданного общими усилиями Стэнфордского университета и NASA, лежит парафин (похожий на тот, что употребляется в простых свечах). Он нетоксичен, легко транспортируется и есть экологически чистым — при сгорании образует лишь углекислый газ и воду. «Двигатели под парафин будут примерно для того чтобы же диаметра, но чуть дольше твердотопливных укорителей шаттлов, — говорит доктор наук Стэнфордского университета Брайан Кентуэлл. — Но их тяга регулируется в широких пределах, их кроме того возможно заглушать и запускать заново.
К тому же подобные двигатели легко возвращать на Землю для перезаправки». Устройство гибридных двигателей достаточно легко. Через парафиновую трубу, расположенную в камере сгорания, прокачивается окислитель (газообразный кислород). При дальнейшем разогреве и зажигании поверхностный слой горючего испаряется, поддерживая горение.
Разработчикам удалось добиться высокой скорости горения и так решить главную проблему, тормозившую ранее применение аналогичных двигателей в космических ракетах.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№49, ноябрь 2006).
<
h4>