Raketové palivo. Raketové palivo

V všeobecný prípad zahrievanie pracovnej tekutiny je súčasťou pracovného procesu tepelného raketového motora. Okrem toho sa formálne vyžaduje prítomnosť zdroja tepla - ohrievača (v konkrétnom prípade môže byť jeho tepelný výkon nulový). Jeho typ možno charakterizovať typom energie, ktorá sa mení na teplo. Získame tak klasifikačné kritérium, podľa ktorého sa tepelné raketové motory podľa typu energie premenenej na tepelnú energiu pracovnej tekutiny delia na elektrické, jadrové (obrázok 10.1.) a chemické (obrázok 13.1, úroveň 2). .

Usporiadanie, konštrukcia a dosiahnuteľné parametre raketového motora na chemické palivo sú do značnej miery určené stavom agregácie raketového paliva. Raketové motory na chemické palivo (v zahraničnej literatúre niekedy nazývané aj chemické raketové motory) sa na tomto základe delia na:

raketové motory na kvapalné palivo - raketové motory na kvapalné palivo, ktorých palivové komponenty sú uložené na palube - kvapalina (obr.13.1, úroveň 3; foto, foto),

raketové motory na tuhé palivo - raketové motory na tuhé palivo (obr. 1.7, 9.4, foto, foto),

hybridné raketové motory - GRD, ktorých palivové zložky sú na palube v rôznych stavoch agregácie (obr. 11.2).

Zrejmým znakom klasifikácie motora na chemické palivo je počet zložiek pohonnej látky.

Napríklad raketové motory na kvapalné palivo na jednozložkové alebo dvojzložkové palivo, motory s plynovým motorom na trojzložkové palivo (v zahraničnej terminológii - na tribridné palivo) (obr. 13.1, úroveň 4).

Podľa konštrukčných kritérií je možné klasifikovať raketové motory s desiatkami hlavičiek, ale hlavné rozdiely vo výkone cieľovej funkcie sú určené schémou podávania komponentov do spaľovacej komory. Najtypickejšia klasifikácia je založená na tejto vlastnosti motorov na kvapalné palivo.

Klasifikácia raketových palív.

RT sa delia na tuhé a kvapalné. Tuhé raketové pohonné hmoty majú oproti kvapalným pohonným hmotám množstvo výhod, sú dlhodobo skladované, neovplyvňujú plášť rakety, nepredstavujú nebezpečenstvo pre personál, ktorý s nimi pracuje, pre svoju nízku toxicitu.

Výbušný charakter ich spaľovania však spôsobuje ťažkosti pri ich použití.

Pevné pohonné látky zahŕňajú balistické a korditové pohonné látky na báze nitrocelulózy.

Prúdový motor na kvapalné palivo, ktorého myšlienka patrí K.E. Tsiolkovskému, je v astronautike najrozšírenejší.

Liquid RT môže byť jednozložkový a dvojzložkový (oxidačný a horľavý).

Medzi oxidanty patria: kyselina dusičná a oxidy dusíka (dioxid, tetraoxid), peroxid vodíka, kvapalný kyslík, fluór a jeho zlúčeniny.

Ako palivo sa používa petrolej, kvapalný vodík, hydrazíny. Najpoužívanejšie sú hydrazín a nesymetrický dimetylhydrazín (UDMH).

Látky, ktoré tvoria tekutú RT, sú pre človeka vysoko agresívne a toxické. Preto zdravotná služba stojí pred problémom vykonávania preventívnych opatrení na ochranu personálu pred akútnou a chronickou otravou MCT, organizáciou poskytovania núdzová starostlivosť s porážkami.

V tomto ohľade sa študuje patogenéza, klinika lézií, vyvíjajú sa prostriedky poskytovania núdzovej starostlivosti a liečby zranených, vytvárajú sa prostriedky na ochranu kože a dýchacích orgánov, maximálna prípustná koncentrácia rôznych CRT a sú stanovené potrebné hygienické normy.

Nosné rakety a pohonné systémy rôznych kozmických lodí sú prevládajúcou oblasťou použitia raketových motorov na kvapalné palivo.

Medzi výhody raketových motorov na kvapalné palivo patria:

Najvyšší špecifický impulz v triede chemických raketových motorov (viac ako 4 500 m / s pre pár kyslík-vodík, pre petrolej-kyslík - 3 500 m / s).

Kontrola trakcie: úpravou spotreby paliva môžete meniť veľkosť ťahu v širokom rozsahu a úplne zastaviť motor a následne ho znova naštartovať. Je to potrebné pri manévrovaní vozidla vo vesmíre.

Pri výrobe veľkých rakiet, napríklad nosných rakiet, ktoré vypúšťajú mnohotonové náklady na obežnú dráhu blízko Zeme, použitie raketových motorov na kvapalné palivo umožňuje dosiahnuť hmotnostnú výhodu oproti motorom na tuhé palivo (raketové motory na tuhé palivo) . Jednak z dôvodu vyššieho špecifického impulzu, jednak z dôvodu, že kvapalné palivo na rakete je obsiahnuté v samostatných nádržiach, z ktorých je pomocou čerpadiel privádzané do spaľovacej komory. Vďaka tomu je tlak v nádržiach výrazne (desaťkrát) nižší ako v spaľovacej komore a samotné nádrže sú tenkostenné a relatívne ľahké. V prípade tuhých palív je palivová nádrž spaľovacou komorou a musí odolávať vysokému tlaku (desiatkam atmosfér), čo znamená zvýšenie jej hmotnosti. Čím väčší je objem paliva na rakete, tým väčšie sú nádoby na jeho uskladnenie a tým väčšia je hmotnostná výhoda motora na kvapalné palivo v porovnaní s raketou na tuhé palivo a naopak: pre malé rakety prítomnosť turbočerpadla. jednotka túto výhodu neguje.

Nevýhody LRE:

Motor na kvapalné palivo a na ňom založená raketa sú z hľadiska schopností oveľa komplikovanejšie a drahšie ako ekvivalent na tuhé palivo (napriek tomu, že 1 kg kvapalného paliva je niekoľkonásobne lacnejší ako tuhé palivo). Raketu na kvapalné palivo je potrebné prepravovať s väčšími opatreniami a technológia prípravy na štart je zložitejšia, náročnejšia na prácu a vyžaduje viac času (najmä pri použití skvapalnených plynov ako pohonných látok), preto pre vojenské rakety pevné -palivové motory sú teraz preferované kvôli ich vyššej spoľahlivosti, mobilite a bojovej pripravenosti.

Zložky kvapalného paliva v nulovej gravitácii sa nekontrolovateľne pohybujú v priestore nádrží. Na ich zrážanie je potrebné prijať špeciálne opatrenia, napríklad zapnúť pomocné motory na tuhé palivá alebo na plyn.

V súčasnosti je pre chemické raketové motory (vrátane motorov na kvapalné palivo) dosiahnutá hranica energetických schopností paliva, a preto sa teoreticky nepredpokladá možnosť výrazného zvýšenia ich špecifického impulzu, a to obmedzuje možnosti raketovej techniky založenej na použití chemických motorov, ktoré už boli zvládnuté v dvoch smeroch. :

Vesmírne lety v blízkozemskom vesmíre (s posádkou aj bez posádky).

Prieskum vesmíru v rámci slnečnej sústavy pomocou automatických vozidiel (Voyager, Galileo).

zložky paliva

Výber komponentov paliva je jedným z najdôležitejších rozhodnutí pri návrhu raketového motora, ktorý predurčuje mnohé detaily konštrukcie motora a následných technických riešení. Preto sa výber paliva pre raketový motor vykonáva s komplexným zvážením účelu motora a rakety, na ktorej je inštalovaný, podmienok ich prevádzky, technológie výroby, skladovania, dopravy na miesto štartu atď. .

Jedným z najdôležitejších ukazovateľov charakterizujúcich kombináciu komponentov je špecifický impulz, ktorý je obzvlášť dôležitý pri konštrukcii nosných rakiet pre kozmické lode, pretože pomer hmotnosti paliva a užitočného zaťaženia a v dôsledku toho aj rozmery a hmotnosť celú raketu (vzorec cm Ciolkovského), čo sa môže ukázať ako nereálne, ak špecifický impulz nie je dostatočne vysoký. V tabuľke 1 sú uvedené hlavné charakteristiky niektorých kombinácií zložiek kvapalného paliva.

Okrem špecifického impulzu pri výbere komponentov paliva môžu zohrávať rozhodujúcu úlohu aj ďalšie ukazovatele vlastností paliva, medzi ktoré patrí:

Hustota, ktorá ovplyvňuje veľkosť nádrží komponentov. Ako vyplýva z tabuľky. 1, vodík je horľavý, s najvyšším špecifickým impulzom (pre akékoľvek oxidačné činidlo), ale má extrémne nízku hustotu. Preto prvé (najväčšie) stupne nosných rakiet zvyčajne používajú iné (menej účinné, ale hustejšie) druhy paliva, napríklad petrolej, čo umožňuje zmenšiť veľkosť prvého stupňa na prijateľné. Príkladmi takejto „taktiky“ sú raketa Saturn-5, ktorej prvý stupeň využíva kyslíkové/kerozínové zložky, a 2. a 3. stupeň – kyslík/vodík, a systém raketoplánu, v ktorom sa používajú posilňovače na tuhé palivo. prvá etapa.

Bod varu, ktorý môže spôsobiť vážne obmedzenia prevádzkových podmienok rakety. Podľa tohto ukazovateľa sa zložky kvapalného paliva delia na kryogénne - skvapalnené plyny ochladené na extrémne nízke teploty a vysokovriace - kvapaliny s bodom varu nad 0 ° C.

Kryogénne komponenty nie je možné dlhodobo skladovať a prepravovať na veľké vzdialenosti, preto sa musia vyrábať (aspoň skvapalňovať) v špeciálnych energeticky náročných priemyselných odvetviach, ktoré sa nachádzajú v bezprostrednej blízkosti miesta štartu, čím sa nosná raketa stáva úplne nehybnou. Okrem toho majú kryogénne komponenty ďalšie fyzikálne vlastnosti, ktoré kladú dodatočné požiadavky na ich použitie. Napríklad prítomnosť aj malého množstva vody alebo vodnej pary v nádobách so skvapalnenými plynmi vedie k tvorbe veľmi tvrdých ľadových kryštálikov, ktoré pri vstupe do palivového systému rakety pôsobia na jej časti ako abrazívny materiál a môžu spôsobiť vážnu nehodu. Počas mnohých hodín prípravy rakety na štart na nej zamrzne veľké množstvo námrazy, ktorá sa zmení na ľad a pád jej kúskov z veľkej výšky predstavuje nebezpečenstvo pre personál, ktorý sa podieľa na príprave, ako aj pre samotná raketa a odpaľovacie zariadenie. Skvapalnené plyny sa po naplnení nimi rakety začnú odparovať a až do momentu štartu ich treba priebežne dopĺňať cez špeciálny doplňovací systém. Prebytočný plyn vznikajúci pri odparovaní komponentov sa musí odstrániť tak, aby sa okysličovadlo nezmiešalo s palivom a nevytvorilo výbušnú zmes.

Vysokovriace komponenty sú oveľa pohodlnejšie na prepravu, skladovanie a manipuláciu, preto v 50. rokoch dvadsiateho storočia nahradili kryogénne komponenty z oblasti vojenskej raketovej techniky. V budúcnosti sa táto oblasť čoraz viac začala zaoberať tuhými palivami. Ale pri vytváraní vesmírnych nosičov si kryogénne palivá stále zachovávajú svoju pozíciu vďaka svojej vysokej energetickej účinnosti a pre manévre vo vesmíre, keď sa palivo musí skladovať v nádržiach na mesiace alebo dokonca roky, sú najprijateľnejšie komponenty s vysokou teplotou varu. Ilustráciou tejto „deľby práce“ môžu byť raketové motory na kvapalné palivo zapojené do projektu Apollo: všetky tri stupne nosnej rakety Saturn-5 využívajú kryogénne komponenty a motory lunárnej lode určené na korekciu trajektórie a na manévre na cirkumlunárnej obežnej dráhe použite vysokovriaci asymetrický dimetylhydrazín a tetoxidový didusík.

Chemická agresivita. Všetky oxidanty majú túto kvalitu. Prítomnosť aj malého množstva organických látok v nádržiach určených pre okysličovadlo (napríklad mastné škvrny zanechané ľudskými prstami) preto môže spôsobiť požiar, v dôsledku čoho sa môže vznietiť aj samotný materiál nádrže (hliník, horčík, titán a železo horia veľmi energicky v raketovom oxidátore). Oxidačné činidlá sa pre svoju agresivitu spravidla nepoužívajú ako chladivá v chladiacich systémoch motora na kvapalné palivo a v plynových generátoroch TNA, aby sa znížilo tepelné zaťaženie turbíny, je pracovná kvapalina presýtená palivom, nie okysličovadlo. Pri nízkych teplotách je kvapalný kyslík možno najbezpečnejším oxidačným činidlom, pretože alternatívne oxidanty, ako je oxid dusný alebo koncentrovaná kyselina dusičná, reagujú s kovmi, a hoci ide o oxidanty s vysokým bodom varu, ktoré možno skladovať dlhú dobu pri normálnych teplotách, ich životnosť je nádrže, v ktorých sa nachádzajú, sú obmedzené.

Toxicita zložiek paliva a produktov ich spaľovania je vážnym obmedzením ich použitia. Napríklad fluór, ako vyplýva z tabuľky 1, je ako oxidačné činidlo účinnejšie ako kyslík, avšak v spojení s vodíkom vytvára fluorovodík, mimoriadne toxickú a agresívnu látku, pričom sa uvoľňuje niekoľko stoviek, najmä tisíc ton takéhoto spaľovacieho produktu do atmosféry pri štarte veľkej rakety je samo osebe veľkou katastrofou spôsobenou človekom, a to aj pri úspešnom štarte. A v prípade havárie a úniku takého množstva tejto látky sa škody nedajú spočítať. Preto sa fluór nepoužíva ako zložka paliva. Jedovatý je aj oxid dusnatý, kyselina dusičná a nesymetrický dimetylhydrazín. V súčasnosti je preferovaným (z environmentálneho hľadiska) okysličovadlom kyslík a palivom je vodík, po ktorom nasleduje kerozín.

Raketové motory

Abstrakt dokončený

Žiak 9B ročníka

Kozhasová Indira

úvod. 2

účel a typy raketových motorov. 2

Termochemické raketové motory. 3

Jadrové raketové motory. 6

iné typy raketových motorov. osem

Elektrické raketové motory. deväť

Referencie. desať

Raketový motor je prúdový motor, ktorý nepoužíva životné prostredie(vzduch, voda). Najpoužívanejšie sú chemické raketové motory. Vyvíjajú sa a testujú ďalšie typy raketových motorov – elektrické, jadrové a iné. zapnuté vesmírne stanice a prístroje sú široko používané a najjednoduchšie raketové motory pracujúce na stlačený plyn. Zvyčajne sa v nich ako pracovná tekutina používa dusík.

Podľa účelu sú raketové motory rozdelené do niekoľkých hlavných typov: zrýchlenie (štartovanie), brzdenie, cestovné, riadiace a iné. Raketové motory sa primárne používajú na raketách (odtiaľ názov). Okrem toho sa v letectve niekedy používajú raketové motory. Raketové motory sú hlavným motorom v astronautike.

Podľa typu použitého paliva (pracovnej tekutiny) sa raketové motory delia na:

Tuhé palivo

Kvapalina

Vojenské (bojové) rakety majú zvyčajne motory na tuhé palivo. Je to spôsobené tým, že takýto motor je tankovaný z výroby a nevyžaduje údržbu počas celej doby skladovania a životnosti samotnej rakety. Motory na tuhé palivo sa často používajú ako posilňovače pre vesmírne rakety. Obzvlášť široko sa v tejto funkcii používajú v USA, Francúzsku, Japonsku a Číne.

Raketové motory na kvapalné palivo majú vyššie ťahové charakteristiky ako motory na tuhé palivo. Preto sa používajú na vynášanie vesmírnych rakiet na obežnú dráhu okolo Zeme a na medziplanetárne lety. Hlavnými kvapalnými palivami pre rakety sú kerozín, heptán (dimetylhydrazín) a kvapalný vodík. Pre tieto druhy paliva je potrebné oxidačné činidlo (kyslík). V takýchto motoroch sa ako oxidačné činidlo používa kyselina dusičná a skvapalnený kyslík. Kyselina dusičná je z hľadiska oxidačných vlastností horšia ako skvapalnený kyslík, ale počas skladovania, tankovania a používania rakiet nevyžaduje udržiavanie špeciálneho teplotného režimu.

Motory pre vesmírne lety sa od pozemských líšia tým, že pri čo najmenšej hmotnosti a objeme musia generovať čo najväčší výkon. Okrem toho podliehajú takým požiadavkám, ako je extrémne vysoká účinnosť a spoľahlivosť, významná prevádzková doba. Podľa druhu použitej energie sa pohonné systémy kozmických lodí delia na štyri typy: termochemické, jadrové, elektrické, solárne – plachetnice. Každý z týchto typov má svoje výhody a nevýhody a môže byť použitý v určitých podmienkach.

V súčasnosti sú kozmické lode, orbitálne stanice a satelity Zeme bez posádky vynášané do vesmíru raketami vybavenými výkonnými termochemickými motormi. Existujú aj miniatúrne motory s nízkym ťahom. Ide o miniatúrnu kópiu výkonných motorov. Niektoré z nich sa vám môžu zmestiť do dlane. Ťah takýchto motorov je veľmi malý, no na ovládanie polohy lode v priestore stačí.

Je známe, že vzdušný kyslík sa najaktívnejšie zúčastňuje v spaľovacom motore, v peci parného kotla - všade tam, kde dochádza k spaľovaniu. Vo vesmíre nie je vzduch a na fungovanie raketových motorov vo vesmíre je potrebné mať dve zložky – palivo a okysličovadlo.

V kvapalných termochemických raketových motoroch sa ako palivo používa alkohol, petrolej, benzín, anilín, hydrazín, dimetylhydrazín a kvapalný vodík. Ako oxidačné činidlo sa používa kvapalný kyslík, peroxid vodíka a kyselina dusičná. Je možné, že kvapalný fluór sa bude v budúcnosti používať ako oxidačné činidlo, keď budú vynájdené spôsoby skladovania a používania takejto aktívnej chemikálie.

Palivo a okysličovadlo pre kvapalné prúdové motory sú skladované oddelene, v špeciálnych nádržiach a čerpané do spaľovacej komory pomocou čerpadiel. Pri ich spojení vzniká v spaľovacej komore teplota až 3000 - 4500 °C.

Spaľovacie produkty, expandujúce, dosahujú rýchlosť 2500 až 4500 m / s. Odtláčaním od tela motora vytvárajú prúdový ťah. V tomto prípade platí, že čím väčšia je hmotnosť a rýchlosť výtoku plynov, tým väčšia je náporová sila motora.

Je zvykom odhadovať špecifický ťah motorov podľa veľkosti ťahu vytvoreného jednotkou hmotnosti paliva spáleného za sekundu. Táto hodnota sa nazýva špecifický impulz raketového motora a meria sa v sekundách (kg ťahu / kg spáleného paliva za sekundu). Najlepšie raketové motory na tuhé palivo majú špecifický impulz až 190 s, to znamená, že 1 kg paliva spáleného za jednu sekundu vytvorí ťah 190 kg. Vodíkovo-kyslíkový raketový motor má špecifický impulz 350 s. Teoreticky môže vodíkovo-fluórový motor vyvinúť špecifický impulz dlhší ako 400 s.

Bežne používaná schéma raketového motora na kvapalné palivo funguje nasledovne. Stlačený plyn vytvára potrebný tlak v kryogénnych palivových nádržiach, aby sa zabránilo tvorbe plynových bublín v potrubiach. Čerpadlá dodávajú palivo do raketových motorov. Palivo sa vstrekuje do spaľovacej komory cez veľké množstvo trysky. Do spaľovacej komory sa cez dýzy vstrekuje aj okysličovadlo.

V každom aute pri spaľovaní paliva vznikajú veľké tepelné toky, ktoré ohrievajú steny motora. Ak neochladíte steny komory, rýchlo vyhorí, bez ohľadu na to, z akého materiálu je vyrobená. Prúdový motor na kvapalné palivo je zvyčajne chladený jednou zo zložiek paliva. Na tento účel je komora vyrobená z dvoch stien. Zložka studeného paliva prúdi v medzere medzi stenami.

Veľkú prítlačnú silu vytvára motor na kvapalný kyslík a kvapalný vodík. V prúde tohto motora sa plyny rútia rýchlosťou niečo vyše 4 km/s. Teplota tohto prúdu je asi 3000 °C a pozostáva z prehriatej vodnej pary, ktorá vzniká pri spaľovaní vodíka a kyslíka. Hlavné údaje typických palív pre kvapalné prúdové motory sú uvedené v tabuľke č.1

Ale kyslík má spolu so svojimi výhodami jednu nevýhodu - pri normálnych teplotách je to plyn. Je jasné, že v rakete je nemožné použiť plynný kyslík, pretože by sa v tomto prípade musel skladovať pod vysokým tlakom v masívnych valcoch. Preto už Ciolkovskij, ktorý ako prvý navrhol kyslík ako zložku raketového paliva, hovoril o tekutom kyslíku ako o zložke, bez ktorej by vesmírne lety neboli možné.

Aby sa kyslík zmenil na kvapalinu, musí sa ochladiť na -183 ° C. Skvapalnený kyslík sa však ľahko a rýchlo vyparuje, aj keď je skladovaný v špeciálnych tepelne izolovaných nádobách. Preto je nemožné udržať dlhodobo vybavenú raketu, ktorej motor využíva ako okysličovadlo tekutý kyslík. Kyslíkovú nádrž takejto rakety je potrebné naplniť tesne pred štartom. Ak je to možné pre vesmírne a iné civilné rakety, potom pre vojenské rakety, ktoré treba dlhodobo udržiavať pripravené na okamžité odpálenie, je to neprijateľné. Kyselina dusičná túto nevýhodu nemá, a preto je „perzistentným“ oxidačným činidlom. To vysvetľuje jeho silnú pozíciu v raketovej technike, najmä vojenskej, napriek výrazne nižšiemu ťahu, ktorý poskytuje.

Použitie najsilnejšieho oxidačného činidla známeho v chémii, fluóru, výrazne zvýši účinnosť prúdových motorov na kvapalné palivo. Kvapalný fluór je však veľmi nepohodlný na použitie a skladovanie kvôli jeho toxicite a nízkemu bodu varu (-188 °C). To však raketových vedcov nezastaví: experimentálne fluórové motory už existujú a testujú sa v laboratóriách a experimentálnych stánkoch.

Sovietsky vedec F.A. Ešte v tridsiatych rokoch Zander vo svojich spisoch navrhoval používať ľahké kovy ako palivo pri medziplanetárnych letoch, z ktorých by sa vyrábala kozmická loď - lítium, berýlium, hliník atď. Najmä ako prísadu do konvenčného paliva, napríklad vodíka -kyslík. Takéto "trojité kompozície" sú schopné poskytnúť najvyššiu možnú rýchlosť odtoku pre chemické palivá - až 5 km / s. Ale to je prakticky limit zdrojov chémie. Viac prakticky nedokáže.

Aj keď v navrhovanom popise stále prevažujú raketové motory na kvapalné palivo, treba povedať, že ako prvý v histórii ľudstva bol vytvorený termochemický raketový motor na tuhé palivo – raketový motor na tuhé palivo.

Palivo – napríklad špeciálny pušný prach – sa nachádza priamo v spaľovacej komore. Spaľovacia komora s prúdovou dýzou, naplnená tuhým palivom - to je celá konštrukcia. Režim spaľovania tuhého paliva závisí od účelu rakety na tuhé palivo (štartovacia, udržiavacia alebo kombinovaná). Pre strely na tuhé palivo používané vo vojenských záležitostiach je charakteristická prítomnosť štartovacích a udržiavacích motorov. Štartovacia raketa na tuhé palivo vyvinie na veľmi krátky čas vysoký ťah, ktorý je potrebný na to, aby raketa zostúpila z spúšťač a jeho počiatočné zrýchlenie. Udržiavacie tuhé palivo je navrhnuté tak, aby udržiavalo konštantnú rýchlosť letu rakety v hlavnej (udržiavacej) časti trajektórie letu. Rozdiely medzi nimi sú najmä v konštrukcii spaľovacej komory a profile spaľovacej plochy palivovej náplne, ktoré určujú rýchlosť spaľovania paliva, od ktorej závisí doba prevádzky a ťah motora. Na rozdiel od takýchto rakiet, kozmické nosné rakety na vypúšťanie družíc Zeme, orbitálnych staníc a vesmírne lode, ako aj medziplanetárne stanice fungujú len v režime štartu od štartu rakety po vypustenie objektu na obežnú dráhu okolo Zeme alebo po medziplanetárnej trajektórii.

Vo všeobecnosti raketové motory na tuhé palivo nemajú oproti motorom na kvapalné palivo veľa výhod: sú nenáročné na výrobu, možno ich dlhodobo skladovať, sú vždy pripravené na zásah a sú relatívne odolné voči výbuchu. Ale pokiaľ ide o špecifický ťah, motory na tuhé palivo sú o 10-30% horšie ako motory na kvapalné palivo.

Jedna z hlavných nevýhod raketových motorov na kvapalné palivo je spojená s obmedzeným prietokom plynov. V jadrových raketových motoroch sa zdá byť možné využiť kolosálnu energiu uvoľnenú pri rozklade jadrového „paliva“ na ohrev pracovnej látky.

Princíp činnosti jadrových raketových motorov je takmer rovnaký ako princíp činnosti termochemických motorov. Rozdiel je v tom, že pracovná tekutina sa neohrieva v dôsledku vlastnej chemickej energie, ale v dôsledku "vonkajšej" energie uvoľnenej počas intranukleárnej reakcie. Pracovná tekutina prechádza jadrovým reaktorom, v ktorom prebieha štiepna reakcia jadier atómov (napríklad uránu), a zároveň sa zahrieva.

Jadrové raketové motory eliminujú potrebu okysličovadla, a preto je možné použiť iba jednu kvapalinu.

Ako pracovnú kvapalinu je vhodné použiť látky, ktoré umožňujú motoru vyvinúť vysokú ťažnú silu. Túto podmienku najviac spĺňa vodík, za ním nasleduje amoniak, hydrazín a voda.

Procesy, v ktorých vyniká jadrová energia, sa delia na rádioaktívne premeny, reakcie štiepenia ťažkých jadier, reakcie fúzie ľahkých jadier.

Rádioizotopové premeny sa realizujú v takzvaných izotopových zdrojoch energie. Špecifická hmotnostná energia (energia, ktorú môže uvoľniť látka s hmotnosťou 1 kg) umelých rádioaktívnych izotopov je oveľa vyššia ako u chemických palív. Takže pre 210 Ро sa rovná 5 * 10 8 KJ / kg, zatiaľ čo pre najenergetickejšie chemické palivo (berýlium s kyslíkom) táto hodnota nepresahuje 3 * 10 4 KJ / kg.

Bohužiaľ, takéto motory sa používajú na vesmírne rakety- dopravcovia zatiaľ nie je racionálne. Dôvodom sú vysoké náklady na izotopovú látku a náročnosť prevádzky. Izotop totiž uvoľňuje energiu neustále, aj keď sa prepravuje v špeciálnom kontajneri a keď je raketa odstavená na štart.

V jadrových reaktoroch sa používa energeticky účinnejšie palivo. Špecifická hmotnostná energia 235 U (štiepneho izotopu uránu) je teda 6,75 x 10 9 KJ / kg, čo je približne o rádovo vyššia energia ako izotopu 210 Po. Tieto motory sa dajú „zapnúť“ a „vypnúť“, jadrové palivo (233 U, 235 U, 238 U, 239 Pu) je oveľa lacnejšie ako izotopové palivo. V takýchto motoroch môže byť ako pracovná kvapalina použitá nielen voda, ale aj efektívnejšie pracovné látky - alkohol, amoniak, kvapalný vodík. Špecifický ťah motora na kvapalný vodík je 900 s.

V najjednoduchšia schéma jadrový raketový motor s reaktorom na tuhé jadrové palivo, pracovná kvapalina je umiestnená v nádrži. Čerpadlo ho dodáva do komory motora. Pri striekaní pomocou trysiek sa pracovná kvapalina dostáva do kontaktu s jadrovým palivom generujúcim teplo, zahrieva sa, expanduje a vysokou rýchlosťou je vyvrhovaná cez trysku.

Jadrové palivo prevyšuje akýkoľvek iný typ paliva pri skladovaní energie. Potom vyvstáva prirodzená otázka - prečo majú zariadenia na toto palivo stále relatívne malý špecifický ťah a veľkú hmotnosť? Faktom je, že špecifický ťah jadrového raketového motora na tuhú fázu je obmedzený teplotou štiepneho materiálu a elektráreň počas prevádzky vyžaruje silné ionizujúce žiarenie, ktoré má škodlivý vplyv na živé organizmy. Biologická ochrana pred takýmto žiarením má ťažká váha neplatí pre kozmické lode.

Praktický vývoj jadrových raketových motorov na tuhé jadrové palivo sa začal v polovici 50. rokov 20. storočia v Sovietskom zväze a USA, takmer súčasne s výstavbou prvých jadrových elektrární. Práce sa vykonávali v atmosfére zvýšeného utajenia, no je známe, že takéto raketové motory sa v kozmonautike zatiaľ reálne nevyužívali. Doteraz sa všetko obmedzovalo na použitie izotopových zdrojov elektriny s relatívne nízkym výkonom na bezpilotné umelé satelity Zem, medziplanetárna kozmická loď a svetoznámy sovietsky „lunárny rover“.

Existujú aj exotickejšie projekty jadrových raketových motorov, v ktorých je štiepna látka v kvapalnom, plynnom alebo dokonca plazmovom stave, avšak realizácia takýchto štruktúr na súčasnej úrovni techniky a techniky je nereálna.

V teoretickej alebo laboratórnej fáze existujú nasledujúce projekty raketových motorov:

Impulzné jadrové raketové motory využívajúce energiu výbuchov malých jadrových náloží;

Termonukleárne raketové motory, ktoré môžu využívať ako palivo izotop vodíka. Energetická produktivita vodíka pri takejto reakcii je 6,8 * 10 11 KJ / kg, čo je približne o dva rády vyššia ako produktivita reakcií jadrového štiepenia;

Solar Sailing Engines – ktoré využívajú tlak slnečné svetlo(slnečný vietor), ktorého existenciu experimentálne dokázal ruský fyzik P.N. Lebedev už v roku 1899. Výpočtom vedci zistili, že prístroj s hmotnosťou 1 tony, vybavený plachtou s priemerom 500 m, môže letieť zo Zeme na Mars za približne 300 dní. Účinnosť slnečnej plachty však rapídne klesá so vzdialenosťou od Slnka.

Takmer všetky raketové motory diskutované vyššie vyvíjajú obrovskú ťahovú silu a sú navrhnuté tak, aby vypustili kozmickú loď na obežnú dráhu okolo Zeme a urýchlili kozmické rýchlosti pre medziplanetárne lety. Je to celkom iná vec - pohonné systémy pre kozmické lode už vypustené na obežnú dráhu alebo na medziplanetárnu trajektóriu. Tu sú spravidla potrebné motory s nízkym výkonom (niekoľko kilowattov alebo dokonca wattov), ​​ktoré môžu pracovať stovky a tisíce hodín a opakovane sa zapínať a vypínať. Umožňujú vám udržiavať let na obežnej dráhe alebo po danej trajektórii, pričom kompenzujú letový odpor vytvorený hornými vrstvami atmosféry a slnečným vetrom.

V elektrických raketových motoroch sa pracovná kvapalina urýchľuje na určitú rýchlosť jej zahrievaním elektrická energia... Elektrina pochádza zo solárnych panelov alebo jadrovej elektrárne. Spôsoby ohrevu pracovnej tekutiny sú rôzne, ale v skutočnosti sa používa hlavne elektrickým oblúkom. Ukázalo sa, že je veľmi spoľahlivé a odoláva veľkému počtu inklúzií. Vodík sa používa ako pracovné médium v ​​elektrických oblúkových motoroch. Pomocou elektrického oblúka sa vodík zahreje na veľmi vysokú teplotu a premení sa na plazmu - elektricky neutrálnu zmes kladných iónov a elektrónov. Rýchlosť výtoku plazmy z motora dosahuje 20 km/s. Keď vedci vyriešia problém magnetickej izolácie plazmy od stien komory motora, potom bude možné výrazne zvýšiť teplotu plazmy a dosiahnuť rýchlosť prúdenia až 100 km/s.

Prvý elektrický raketový motor bol vyvinutý v Sovietskom zväze v rokoch 1929-1933. pod vedením V.P. Glushko (neskôr sa stal tvorcom motorov pre sovietske vesmírne rakety a akademik) v slávnom plynovom dynamickom laboratóriu (GDL).

1. Sovietsky encyklopedický slovník

2.S.P. Umanského. Kozmonautika dnes a zajtra. Kniha. Pre študentov.

Raketové palivo

TROCHU TEORIE Zo školského kurzu fyziky (zákon zachovania hybnosti) je známe, že ak sa hmotnosť m oddelí od pokojového telesa s hmotnosťou M rýchlosťou V, potom sa zvyšok telesa s hmotnosťou Mm bude pohybovať rýchlosťou m / (Mm) x V v opačnom smere. To znamená, že čím väčšia je odhodená hmota a jej rýchlosť, tým väčšiu rýchlosť nadobudne zvyšná časť hmoty, tzn. tým väčšia bude sila, ktorá ho uvedie do pohybu. Na činnosť raketového motora (RD), ako každého prúdového motora, je potrebný zdroj energie (palivo), pracovná tekutina (RT), ktorá akumuluje energiu zdroja, jej prenos a premena), zariadenie, v ktorom energia sa prenáša na RT a zariadenie, v ktorom sa vnútorná energia RT premieňa na kinetickú energiu prúdu plynu a prenáša sa na raketu vo forme ťahovej sily. Známe sú chemické a nechemické palivá: v prvých (raketové motory na kvapalné palivo - raketové motory na kvapalné palivo a raketové motory na tuhé palivo - tuhé pohonné látky) sa energia potrebná na prevádzku motora uvoľňuje v dôsledku chemických reakcií, a vzniknuté plynné produkty slúžia ako pracovná tekutina, v tej druhej na zahrievanie pracovníka.telo využíva iné zdroje energie (napr. jadrovú energiu). Účinnosť rolovacej dráhy, ako aj účinnosť paliva sa meria jej špecifickým impulzom. Špecifický ťahový impulz (špecifický ťah), definovaný ako pomer ťahovej sily k druhému hmotnostnému prietoku pracovnej tekutiny. Pre raketové motory na kvapalné palivo a tuhé palivá sa prietok pracovnej tekutiny zhoduje so spotrebou paliva a špecifický impulz je prevrátená hodnota špecifickej spotreby paliva. Špecifický impulz charakterizuje účinnosť rolovacej dráhy - čím viac je, tým menej paliva (vo všeobecnom prípade pracovnej tekutiny) sa spotrebuje na vytvorenie jednotky ťahu. V systéme SI sa špecifický impulz meria v m / s a ​​prakticky sa zhoduje s rýchlosťou prúdového prúdu. V technickom systéme jednotiek (iný názov je MKGSS, čo znamená: Meter - Kilogram sily - Druhý), ktorý bol široko používaný v ZSSR, bol kilogram hmotnosti odvodenou jednotkou a bol definovaný ako hmotnosť, ktorej sila 1 kgf dáva zrýchlenie 1 m / s za sekundu. Nazývalo sa to „technická jednotka hmotnosti“ a vážilo 9,81 kg. Takáto jednotka bola nepohodlná, takže namiesto hmotnosti sme použili hmotnosť, namiesto hustoty - špecifickú hmotnosť atď. V raketovej technike sa pri výpočte špecifického impulzu nevyužívala ani hmotnosť, ale hmotnostná spotreba paliva. Výsledkom bolo, že vzdialený impulz (v systéme ICGSS) bol meraný v sekundách (veľkosť je 9,81-krát menšia ako špecifický "hmotnostný" impulz). Veľkosť špecifického impulzu RD je nepriamo úmerná druhej odmocnine molekulovej hmotnosti pracovnej tekutiny a je priamo úmerná druhej odmocnine teploty pracovnej tekutiny pred dýzou. Teplota pracovnej tekutiny je určená výhrevnosťou paliva. Jeho maximálna hodnota pre pár berýlium + kyslík je 7200 kcap / kg. ktorý obmedzuje maximálny špecifický impulz motora na kvapalné palivo na maximálne 500 sekúnd. Veľkosť špecifického impulzu závisí od tepelnej účinnosti RD - pomeru kinetickej energie odovzdanej pracovnej kvapaline v motore k celkovej výhrevnosti paliva. K premene výhrevnosti paliva na kinetickú energiu vytekajúceho prúdu v motore dochádza so stratami, keďže časť tepla je odvádzaná vytekajúcou pracovnou kvapalinou, časť sa neuvoľňuje vôbec v dôsledku nedokonalého spaľovania. paliva. Elektroprúdové motory majú najvyšší špecifický impulz. Pri plazmovom EJE dosahuje 29 000 s. Maximálny impulz sériových ruských motorov RD-107 je 314 sekúnd, charakteristika RD je z 90% určená použitým palivom. Raketové palivo - látka (jedna alebo viac), ktorá je zdrojom energie a RT pre RD. Musí spĺňať tieto základné požiadavky: mať vysoký impulz, vysokú hustotu, požadovaný stav agregácie komponentov v prevádzkových podmienkach, musí byť stabilný, manipulovateľný, netoxický, kompatibilný so stavebnými materiálmi, mať suroviny a pod. Prevádzkový RD poháňa chemické palivo. Hlavná energetická charakteristika (špecifický impulz) je určená množstvom uvoľneného tepla (výhrevnosť paliva) a chemickým zložením produktov reakcie, ktoré určuje úplnosť premeny tepelnej energie na kinetickú energiu prúdenia (čím nižšia je molekulová hmotnosť, tým vyšší je špecifický impulz). Podľa počtu oddelene skladovaných komponentov sa chemické raketové palivá delia na jedno- (jednotkové), dvoj-, troj- a viaczložkové, podľa stavu agregácie komponentov - na kvapalné, tuhé, hybridné, pseudokvapalné, želé. -Páči sa mi to. Jednozložkové palivá - zlúčeniny ako hydrazín N 2 H 4, peroxidy vodíka H 2 O 2 v RD komore sa rozkladajú za uvoľňovania veľkého množstva tepla a plynných produktov, majú nízke energetické vlastnosti. Napríklad 100% peroxid vodíka má pulzovú frekvenciu 145 s. a používa sa ako pomocné palivo pre systémy riadenia a riadenia letovej polohy, pohony turbo čerpadiel rolovacej dráhy. Gélové palivá sú zvyčajne palivá (menej často oxidačné činidlo) zahustené soľami vysokomolekulárnych organických kyselín alebo špeciálnymi prísadami. Zvýšenie špecifického impulzu raketových palív sa dosahuje pridávaním práškov kovov (Al a pod.). Napríklad "Saturn-5" spáli počas letu 36 ton. hliníkový prášok. Najpoužívanejšie dvojzložkové kvapalné a tuhé palivá. KVAPALNÉ PALIVO Dvojzložkové kvapalné palivo pozostáva z okysličovadla a paliva. Na kvapalné palivá sú kladené tieto špecifické požiadavky: čo najširší teplotný rozsah kvapalného skupenstva, vhodnosť aspoň jedného z komponentov na chladenie kvapalinového motora (tepelná stabilita, vysoký bod varu a tepelná kapacita), možnosť získania vysoká prevádzkyschopnosť, minimálna viskozita komponentov a jej nízka závislosť od teploty. Na zlepšenie charakteristík sa do zloženia paliva pridávajú rôzne prísady (kovy, napríklad Be a Al na zvýšenie špecifického impulzu, inhibítory korózie, stabilizátory, aktivátory vznietenia, látky znižujúce bod tuhnutia). Používaným palivom je petrolej (ťažký benzín a petrolej a frakcie plynového oleja s teplotou varu 150-315 °C), kvapalný vodík, kvapalný metán (CH 4), alkoholy (etyl, furfuryl); hydrazín (N 2 H 4), a jeho deriváty (dimetylhydrazín), kvapalný amoniak (NH 3), anilín, metyl-, dimetyl- a trimetylamíny atď. Ako oxidačné činidlá sa používajú: kvapalný kyslík, koncentrovaná kyselina dusičná (HNO 3), oxid dusnatý (N 2 O 4), tetranitrometán; kvapalný fluór, chlór a ich zlúčeniny s kyslíkom atď. Pri privádzaní do spaľovacej komory sa zložky paliva môžu samovoľne vznietiť (koncentrovaná kyselina dusičná s anilínom, oxid dusnatý s hydrazínom atď.) alebo nie. Použitie samozápalných palív zjednodušuje konštrukciu rolovacej dráhy a umožňuje najjednoduchšiu realizáciu viacnásobných štartov. Dvojice vodík-fluór (412c) a vodík-kyslík (391c) majú maximálny nárazový impulz. Z hľadiska chémie je ideálnym oxidantom kvapalný kyslík. Bol použitý v prvých balistických raketách FAU, jeho amerických a sovietskych náprotivkoch. Ale jeho bod varu (-183 0 C) armáde nevyhovoval. Požadovaný rozsah prevádzkových teplôt je od -55 0 С do +55 0 С Kyselina dusičná, ďalšie zrejmé okysličovadlo pre raketové motory na kvapalné palivo, viac vyhovovala armáde. Má vysokú hustotu, nízku cenu, vyrába sa v veľké množstvá , je celkom stabilný, a to aj pri vysokých teplotách, odolný voči ohňu a výbuchu. Jeho hlavná výhoda oproti kvapalnému kyslíku je vo vysokom bode varu, a teda v možnosti neobmedzeného skladovania bez akejkoľvek tepelnej izolácie. Kyselina dusičná je však taká agresívna látka, že neustále reaguje sama so sebou – atómy vodíka sa odštiepia z jednej molekuly kyseliny a naviažu sa na susedné, čím vznikajú krehké, no chemicky mimoriadne aktívne agregáty. Aj tie najodolnejšie druhy nehrdzavejúcej ocele pomaly ničí koncentrovaná kyselina dusičná (výsledkom je hustá zelenkastá „rôsol“, zmes kovových solí, ktorá sa tvorí na dne nádrže). Na zníženie korozívnosti sa do kyseliny dusičnej pridávali rôzne látky, len 0,5% kyselina fluorovodíková (fluorovodíková) znižuje rýchlosť korózie nehrdzavejúcej ocele desaťnásobne. Na zvýšenie špecifického pulzu sa do kyseliny pridáva oxid dusičitý (NO 2). Je to hnedý plyn so štipľavým zápachom. Pri ochladení pod 21 °C sa skvapalňuje za vzniku oxidu dusnatého (N 2 O 4) alebo oxidu dusnatého (AT). Pri atmosférickom tlaku AT vrie pri teplote +21 0 С a pri –11 0 С zamrzne. Plyn pozostáva hlavne z molekúl NO 2, kvapalný zo zmesi NO 2 a N 2 O 4 a v tuhej látke zostávajú iba molekuly tetoxidu. Okrem iného pridanie AT ku kyseline viaže vodu vstupujúcu do oxidačného činidla, čím sa znižuje korozívna aktivita kyseliny, zvyšuje sa hustota roztoku a dosahuje maximum pri 14 % rozpusteného AT. Túto koncentráciu používali Američania pre svoje bojové rakety. Naša, aby sme získali maximálny počet úderov. pulzný použitý 27 % roztok AT. Toto oxidačné činidlo bolo označené AK-27. Paralelne s hľadaním najlepšieho okysličovadla pokračovalo aj hľadanie optimálneho paliva. Prvým široko používaným palivom bol lieh (etyl), ktorý bol použitý na prvých sovietskych raketách R-1, R-2, R-5 ("dedičstvo" FAU-2). Okrem nízkoenergetických ukazovateľov armáda evidentne nebola spokojná s nízkou odolnosťou personálu voči „otrave“ takýmito palivami. Armáda bola najviac spokojná s produktom destilácie ropy, problémom však bolo, že takéto palivo sa pri kontakte s kyselinou dusičnou samovznieti. Táto nevýhoda bola obídená použitím štartovacieho paliva. Jeho zloženie našli nemeckí raketoví inžinieri počas druhej svetovej vojny a nazývalo sa „Tonka-250“ (v ZSSR sa nazývalo TG-02). S kyselinou dusičnou sa najlepšie zapaľujú látky, ktoré obsahujú okrem uhlíka a vodíka aj dusík. Takouto látkou s vysokými energetickými charakteristikami bol hydrazín (N 2 H 4). Autor: fyzikálne vlastnosti je veľmi podobná vode (hustota je o niekoľko percent vyššia, bod tuhnutia +1,5 0 С, bod varu +113 0 С, viskozita a všetko ostatné je ako voda). Ale armáda nebola spokojná s vysokou teplotou mrazu (vyššou ako teplota vody). V ZSSR bola vyvinutá metóda na získanie nesymetrického dimetylhydrazínu (UDMH) a Američania použili jednoduchší postup na získanie monometylhydrazínu. Obe tieto kvapaliny boli extrémne jedovaté, ale menej výbušné, absorbovali menej vodnej pary, boli tepelne stabilnejšie ako hydrazín. Ale bod varu a hustota v porovnaní s hydrazínom klesli. Napriek niektorým nedostatkom bolo nové palivo celkom uspokojivé pre konštruktérov aj armádu. UDMH má iný, „nezaradený“ názov – „heptyl“. Aerosin-50, ktorý používajú Američania na svojich raketách na kvapalné palivo, je zmesou hydrazínu a UDMH, čo bolo dôsledkom vynálezu technologického postupu, pri ktorom sa vyrábali súčasne. Po tom, čo sa balistické strely začali umiestňovať v mínach, v utesnenom kontajneri s termostatickým systémom, sa znížili požiadavky na rozsah prevádzkových teplôt raketového paliva. V dôsledku toho odmietli kyselinu dusičnú a prešli na čistý AT, ktorý tiež dostal nezaradený názov - "amyl". Plniaci tlak v nádržiach zvýšil bod varu na prijateľnú hodnotu. Korózia nádrží a potrubí pri použití AT klesla natoľko, že bolo možné udržať raketu napájanú počas celej doby bojovej služby. Prvé rakety využívajúce AT ako okysličovadlo boli UR-100 a ťažké R-36. Natankované môžu stáť až 10 rokov v rade. Hlavné charakteristiky dvojzložkových kvapalných palív s optimálnym pomerom zložiek (tlak v spaľovacej komore, 100 kgf / cm2, na výstupe z trysky 1 kgf / cm2) Oxidačné činidlo Palivo Tepelná hodnota - Hustota Teplota Špecifický impulz paliva *, g / cm 2 * v komore v dutine , kcal / kg spaľovanie, K sec Dusičnatý petrolej 1460 1,36 2980 313 k tomu (98%) TG-02 1490 1,32 3000 310 Anilín (80%) + furfuryl 142033 lieh 1420 05. (20%) Kyslík Alkohol (94%) 2020 0,39 3300 255 (Kvapalný) Vodík f. 0,32 3250 391 Petrolej 2200 1,04 3755 335 NDMH 2200 1,02 3670 344 Hydrazín 1,07 3446 346 0,84 3070 323 AT Petrolej 1550 1,27 3516 309 UDMH 1,195 3469 318 Hydrazín 1,23 3287 322 Fluór Vod. 0,62 4707 412 (kvapalný) Hydrazín 2230 1,31 4775 370 * pomer celkovej hmotnosti okysličovadla a paliva k ich objemu. TUHÉ PALIVO Tuhé palivo sa delí na lisovaný balistický - nitroglycerínový prášok, čo je homogénna zmes komponentov (nepoužíva sa v moderných vysokovýkonných RD) a zmesové palivo, čo je heterogénna zmes okysličovadla, spojiva paliva (ktoré podporuje vytvorenie monolitického palivového bloku) a rôzne prísady (zmäkčovadlo, prášky kovov a ich hydridov, tvrdidlo atď.). Náplne na tuhé palivo sa vyrábajú vo forme kanálových bômb, ktoré horia na vonkajšom alebo vnútornom povrchu. Hlavnými špecifickými požiadavkami na tuhé palivá sú: rovnomernosť rozloženia komponentov a následne stálosť fyzikálno-chemických a energetických vlastností v bloku, stabilita a pravidelnosť horenia v RD komore, ako aj súbor fyzikálnych a mechanických vlastností, ktoré zabezpečujú výkon motora v podmienkach preťaženia, premenlivé teploty, vibrácie. Impulzom (asi 200 s.) je tuhé palivo horšie ako kvapalné palivo, pretože v dôsledku chemickej nekompatibility nie je vždy možné použiť energeticky efektívne zložky v zložení tuhých palív. Nevýhodou tuhého paliva je jeho náchylnosť na „starnutie“ (nevratná zmena vlastností v dôsledku chemických a fyzikálnych procesov prebiehajúcich v polyméroch). Americkí raketoví vedci rýchlo opustili kvapalné palivo a uprednostňovali tuhé zmiešané palivo pre bojové rakety, na tvorbe ktorých sa v Spojených štátoch pracovalo od polovice 40-tych rokov, čo umožnilo už v roku 1962. prijať prvý ICBM na tuhé palivo „Minuteman-1“. U nás sa veľký výskum začal s výrazným oneskorením. Výnosom z 20.11.1959. predpokladalo sa vytvorenie trojstupňovej rakety RT-1 s raketovými motormi na tuhé palivo (raketové motory na tuhé palivo) a doletom 2500 km. Keďže v tom čase neexistovala prakticky žiadna vedecká, technologická a výrobná základňa pre zmiešané nálože, neexistovala žiadna alternatíva k používaniu balistických pevných palív. Maximálny prípustný priemer tyčiniek hnacieho plynu vyrobených kontinuálnym lisovaním nepresahoval 800 mm. Preto motory každého stupňa mali usporiadanie balíkov 4 a 2 bloky na prvom a druhom stupni. Pridaná prachová náplň horela pozdĺž vnútorného valcového kanála, koncov a povrchov 4 pozdĺžnych štrbín umiestnených v prednej časti nálože. Tento tvar spaľovacej plochy poskytoval požadovaný tlakový diagram v motore. Raketa mala nevyhovujúce vlastnosti, napríklad so štartovacou hmotnosťou 29,5 tony. Minuteman-1 mal maximálny dolet 9300 km, zatiaľ čo RT-1 mal tieto charakteristiky, respektíve 34t. a 2400 km. Hlavným dôvodom zaostávania rakety RT-1 bolo použitie balistického prachu. Na vytvorenie ICBM na tuhé palivo s charakteristikami blížiacimi sa Minuteman-1 bolo potrebné použiť kompozitné palivá, ktoré poskytujú vyššiu energiu a lepšie hmotnostné charakteristiky motory a rakety všeobecne. V apríli 1961. Bolo vydané vládne nariadenie o vývoji ICBM na tuhé palivo - RT-2, uskutočnilo sa úvodné stretnutie a bol pripravený program Nylon-S na vývoj kompozitných palív s impulzným impulzom 235s. Tieto palivá mali poskytnúť schopnosť vyrábať nálože s hmotnosťou až 40 ton. odlievaním do telesa motora. Koncom roku 1968. raketa bola uvedená do prevádzky, ale vyžadovala si ďalšie zlepšenie. Takto sa zmiešané palivo formovalo do samostatných foriem, potom sa do tela vložila náplň a medzera medzi náložou a telom sa vyplnila spojivom. To spôsobilo určité ťažkosti pri výrobe motora. Raketa RT-2P mala pevné palivo PAL-17/7 na báze butylkaučuku, ktoré má vysokú ťažnosť, nie je pri skladovaní badateľné starnutie a praskanie, pričom palivo sa nalievalo priamo do krytu motora, následne sa polymerizovalo a tvarovalo požadované spaľovacie plochy náplne. Letovými výkonmi sa RT-2P priblížil rakete Minuteman-3. Zmesové palivá na báze chloristanu draselného a polysulfidu boli prvé, ktoré našli široké uplatnenie v pevných pohonných látkach. Výrazné zvýšenie úderov. impulzný raketový motor na tuhé palivo nastal po tom, čo sa namiesto chloristanu draselného začal používať chloristan amónny a namiesto polysulfidu - polyuretánu a potom polybutadiénu a iných kaučukov a do paliva bolo zavedené ďalšie palivo - práškový hliník. Takmer všetky moderné tuhé pohonné látky obsahujú náplne vyrobené z chloristanu amónneho, hliníka a polymérov butadiénu (CH 2 = CH-CH = CH 2). Hotový náboj je vo forme tvrdej gumy alebo plastu. Je podrobený starostlivej kontrole kontinuity a homogenity hmoty, silnej priľnavosti paliva k telu atď. Trhliny a póry v náplni, ako aj delaminácia z puzdra sú neprijateľné, pretože môžu viesť k nekonštruktívnemu zvýšeniu ťahu rakety na tuhé palivo (v dôsledku zväčšenia horiacej plochy), vyhoreniu puzdra a dokonca aj výbuchy. Charakteristické zloženie zmesového paliva používaného v moderných výkonných pevných pohonných hmotách: okysličovadlo (zvyčajne chloristan amónny NH 4 C1O 4) 60-70%, horľavé spojivo (butylkaučuk, nitrilové kaučuky, polybutadiény) 10-15%, zmäkčovadlo 5-10% , kov (prášky Al, Be, Mg a ich hydridy) 10-20%, tvrdidlo 0,5-2,0% a katalyzátor spaľovania 0,1-1,0%.(oxid železa) V moderných vesmírnych tuhých pohonných hmotách je pomerne zriedkavo používaný a modifikovaný dvojsýtny alebo zmiešané dvojsýtne palivá. Zložením je medzi bežným balistickým dvojsýtnym (dvojsýtne hnacie plyny - bezdymové hnacie plyny, v ktorých sú dve hlavné zložky: nitrocelulóza - najčastejšie vo forme pyroxylínu a neprchavé rozpúšťadlo - najčastejšie nitroglycerín) palivo a zmiešané. Dvojsýtne zmiešané palivo zvyčajne obsahuje kryštalický chloristan amónny (oxidačné činidlo) a práškový hliník (palivo), viazané zmesou nitrocelulózy a nitroglycerínu. Tu je typické zloženie modifikovaného dvojsýtneho paliva: chloristan amónny -20,4%, hliník - 21,1%, nitrocelulóza - 21,9%, nitroglycerín - 29,0%, triacetín (rozpúšťadlo) - 5,1%, stabilizátory - 2,5%. Modifikované dvojzložkové palivo sa pri rovnakej hustote ako zmiešané polybutadiénové palivo vyznačuje mierne vyšším špecifickým impulzom. Jeho nevýhodou je vyššia teplota spaľovania, vyššia cena, zvýšené nebezpečenstvo výbuchu (sklon k detonácii). Na zvýšenie špecifického impulzu možno do zmiešaných aj modifikovaných dvojsýtnych palív zaviesť vysoko výbušné kryštalické oxidanty, ako je RDX. HYBRIDNÉ PALIVO V hybridnom palive sú komponenty v rôznych stavoch agregácie. Palivom môžu byť: stuhnuté ropné produkty, N 2 H 4, polyméry a ich zmesi s práškami - Al, Be, BeH 2, LiH 2, oxidačné činidlá - HNO 3, N 2 O 4, H 2 O 2, FC1O 3, C1F 3, О 2, F 2, OF 2. Z hľadiska špecifického impulzu zaujímajú tieto palivá medzipolohu medzi kvapalným a tuhým. Maximálny nárazový impulz majú tieto palivá: BeH 2 -F 2 (395 s), BeH 2 -H 2 O 2 (375 s), BeH 2 -O 2 (371 s). Hybridné palivo vyvinuté Stanfordskou univerzitou a NASA je založené na parafínovom vosku. Je netoxický a ekologický (pri spaľovaní tvorí len oxid uhličitý a vodu), jeho ťah je nastaviteľný v širokom rozsahu a je možný reštart. Motor má pomerne jednoduché zariadenie, okysličovadlo (plynný kyslík) sa čerpá cez parafínové potrubie umiestnené v spaľovacej komore, pri zapaľovaní a ďalšom zahrievaní sa povrchová vrstva paliva odparuje a podporuje spaľovanie. Vývojárom sa podarilo dosiahnuť vysoká rýchlosť spaľovania a tým vyriešiť hlavný problém, ktorý predtým bránil použitiu takýchto motorov vo vesmírnych raketách. Použitie kovového paliva môže mať dobré vyhliadky. Lítium je jedným z najvhodnejších kovov na tento účel. Pri spaľovaní 1 kg. Tento kov uvoľňuje 4,5-krát viac energie ako oxidácia petroleja kvapalným kyslíkom. Vyššou výhrevnosťou sa môže pochváliť len berýlium. V Spojených štátoch amerických boli zverejnené patenty na tuhé pohonné látky obsahujúce 51 – 68 % kovového lítia.

Tuhé raketové palivo je tuhá látka (zmes látok), ktorá môže horieť bez vzduchu a zároveň uvoľňuje veľa plynných zlúčenín zahriatych na vysoké teploty. Takéto kompozície sa používajú na vytváranie rakiet v motoroch.

Raketové palivo sa používa ako zdroj energie pre Okrem tuhého paliva existujú aj gélové, kvapalné a hybridné analógy. Každý typ paliva má svoje výhody a nevýhody. Kvapalné palivá sú jednozložkové a dvojzložkové (palivo + okysličovadlo). Gélové palivá sú formulácie, ktoré boli zgélované s Hybridnými palivami sú systémy, ktoré zahŕňajú tuhé palivo a kvapalné okysličovadlo.

Prvé typy raketového paliva boli presne tuhé. Ako pracovná látka sa používal pušný prach a jeho analógy, ktoré sa používali vo vojenských záležitostiach a na výrobu ohňostrojov. Teraz sa tieto zlúčeniny používajú iba na výrobu malých modelov rakiet ako pohonné hmoty. Zloženie umožňuje odpálenie malých (do 0,5 m) rakiet na výšku niekoľkých stoviek metrov. Motor v nich je malý valec. Je naplnená tuhou horľavou zmesou, ktorá sa zapáli horúcim drôtom a horí len niekoľko sekúnd.

Raketové palivo tuhého typu sa najčastejšie skladá z okysličovadla, paliva a katalyzátora, čo umožňuje udržiavať stabilné spaľovanie po zapálení kompozície. V počiatočnom stave sú tieto materiály práškovité. Aby sa z nich vyrobilo raketové palivo, je potrebné vytvoriť husté, ktoré bude horieť dlho, rovnomerne a nepretržite. Raketové motory na tuhé palivo sa používajú ako okysličovadlo, (uhlík) ako palivo a síra ako katalyzátor. Toto je zloženie čierneho prášku. Druhou kombináciou materiálov, ktoré sa používajú ako pohonné látky, sú bertholletova soľ, hliníkový alebo horčíkový prášok a chlorečnan sodný. Toto zloženie sa tiež nazýva biely prášok. Pevné horľavé plnivá pre vojenské rakety sa delia na balistické (nitroglycerínom stlačený pušný prach) a zmiešané, ktoré sa používajú vo forme kanálových bômb.

Raketový motor na tuhé palivo funguje nasledovne. Po zapálení začne palivo horieť vopred stanovenou rýchlosťou, pričom cez dýzu vystrekne horúcu plynnú látku, ktorá poskytuje ťah. Palivo v motore horí, kým sa neminie. Preto nie je možné zastaviť proces a vypnúť motor, kým plnivo úplne nevyhorí. Toto je jedna z vážnych nevýhod motorov na tuhé palivo v porovnaní s inými analógmi. V skutočných vesmírnych balistických nosičoch sa však materiály na tuhé palivo používajú iba v počiatočnej fáze letu. V ďalších stupňoch sa používajú iné typy raketového paliva, takže nevýhody zloženia tuhého paliva nepredstavujú významný problém.

Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania

(FGBOU VPO)

"Astrachánska štátna technická univerzita" (ASTU)

„Inštitút námornej technológie, energie a dopravy“ (IMTEiT)

Katedra "tepelnej energetiky" (TEN)

Práca na kurze

v disciplíne "Palivo"

na tému "raketové palivá"

Dokončené

študent skupiny TET-21

A.A. Prikazchikov

Recenzenti:

študenti skupiny TET-21

Putyatin S.S., Zhidkov S.M.

učiteľ:

Doktor chemických vied, profesor Ryabukhin Yu.I.

Astrachaň - 2012

1. Historické pozadie

Hlavné typy raketového paliva

1 Kvapalné pohonné látky

1.1 Oxidanty

1.2 Palivo

1.3 Porovnanie najbežnejších kvapalných raketových palív

2 tuhé pohonné látky

2.1 Raketový prášok

2.2 Zmiešané pohonné látky

Bibliografia

... Historický odkaz

Rakety na tuhé palivo sa objavili oveľa skôr ako rakety s raketovými motormi na kvapalné palivo (LPRE). Posledne menované sa nám stali tak známymi, že zabúdame na to, kedy sa začali používať na dobývanie vesmíru a pri nepriateľských akciách bojujúcich strán. A to sa stalo len pred 50 rokmi. Predtým vojaci úspešne prevádzkovali a používali rakety na tuhé palivo alebo rakety s práškovými motormi už niekoľko storočí. Na možnosť využitia kvapalín vrátane kvapalného vodíka H2 a kyslíka O2 ako paliva pre rakety poukázal K.E. Ciolkovsky<#"justify">2. HLAVNÉ TYPY RAKETOVÝCH PALIV

Výber pohonnej látky závisí od mnohých faktorov. Ideálne palivo neexistuje, každé má svoje pre a proti. Na výber paliva môžu vplývať faktory ako cena, špecifický impulz, rýchlosť horenia, funkcia závislosti rýchlosti horenia od tlaku, bezpečnosť a vyrobiteľnosť a iné.

2.1 TEKUTÉ RAKETOVÉ PALIVÁ

Oxidačné činidloa palivodvojzložkové palivá sú obsiahnuté v samostatných nádobách - nádržiach a pomocou rôznych zariadení sa oddelene privádzajú do priestoru motora na spaľovanie. V súčasnosti sú najpoužívanejšie dvojzložkové kvapalné palivá, pretože poskytujú najvyšší špecifický ťah motora, ľahko upravujú veľkosť a smer ťahu počas letu, ako aj vypínajú a znova štartujú motor. Nevýhodou týchto palív je zložitá konštrukcia motora s veľkým počtom dielov a zostáv so zložitým systémom riadenia a regulácie.

TO samovznieteniezahŕňajú také dvojzložkové palivá, ktorých spaľovanie začína samo od seba, keď sa okysličovadlo a palivo zmiešajú v motorovej komore.

Nesamohorľavýpalivá na spustenie spaľovania pri štartovaní motorov vyžadujú použitie prídavných zapaľovacích prostriedkov. Samozápalné palivá poskytujú spoľahlivejšie štartovanie motora a stabilnú prevádzku.

Kvapalina jednozložkovýpalivá sú vopred pripravené nesamozápalná zmes okysličovadla a palivav pomere potrebnom na spaľovanie, alebo taká kvapalná látka, ktorá sa za určitých podmienok rozkladá za uvoľňovania tepla a tvorby plynov. Jednozložkové pohonné látky sú umiestnené na rakete v jednej nádrži a sú privádzané pozdĺž jednej línie do spaľovacej komory cez vstrekovače.

Výhodatakýchto palív pred dvojzložkovými palivami zjednodušenie konštrukcie motorapretože je potrebný iba jeden riadok podávacieho systému. Tieto palivá však nenašli široké využitie v raketových motoroch, pretože nemôžu poskytnúť požadovaný špecifický ťah. Tie jednozložkové palivá, ktoré poskytujú dostatočný merný ťah, sú nevhodné na použitie kvôli ich vysokému sklonu k samovoľnému výbuchu. Jednozložkové palivá sú nebezpečné aj pre ich použitie na chladenie spaľovacieho priestoru. Tieto palivá sa používajú väčšinou len na pomocné účely: pre malé náporové motory, ktoré sa používajú na účely riadenia a stabilizácie lietadla, ako aj na otáčanie turbín jednotiek turbočerpadla motora na kvapalné palivo.

Tabuľka 1. Hlavné charakteristiky dvojzložkových kvapalných palív s optimálnym pomerom zložiek (tlak v spaľovacej komore 100 kgf / cm 2, na výstupe z trysky 1 kgf / cm2 ).

Oxidant Palivo Tepelný obsah paliva *, kcal / kg Hustota *, g / cm2 Teplota v spaľovacej komore, Špecifický impulz v dutine, sek Kyselina dusičná (98%) Petrolej 14601.362980313TG-0214901.323000310 Anilín 20% alkohol (80%) ) 14201,393050313Zhidky kislorodSpirt (94%) 20200,393300255Vodorod20200,323250391Kerosin22001,043755335NDMG 22001,023670344Gidrazin22301,073446346Ammiak22000,843070323ATKerosin15501,273516309NDMG22001,203469318Gidrazin22301,233287322Zhidky ftorVodorod23000,624707412Gidrazin22301,314775370

V dvojzložkových palivách je na úplné spálenie oboch zložiek potrebné presne definované množstvo druhej na každú jednotku hmotnosti jednej z nich. Na spálenie 1 kg petroleja je teda potrebných 15 kg vzduchu alebo 5,5 kg kyseliny dusičnej alebo 3,4 kg kvapalného kyslíka. V prakticky dokončené raketové motory oxidačné činidlo sa privádza do komory v trochu menšom množstvenež je potrebné na úplné spálenie.

Ukazuje sa, že v tomto prípade to dopadá najväčšiu hodnotušpecifický ťah. Dôvodom je, že s poklesom spotreby okysličovadla sa zloženie produktov spaľovania trochu mení. Tým sa obmedzuje proces tepelného rozkladu molekúl plynu – splodín horenia – na atómy a ióny, ku ktorému dochádza pri veľkom pohlcovaní tepla a jeho zbytočnom odvádzaní mimo dýzy a podmienky na premenu energie v dýze sú tiež vylepšený.

Pre prevádzku rakiet na kvapalné palivo má veľký význam bod varu paliva. Všetky zložky paliva sú rozdelené na vysoký vara nízky bod varu.

TO vysoký varzahŕňajú oxidanty a palivá, ktoré môžu byť v kvapalnom stave pri bežných prevádzkových teplotách rakiet (až do +150 0C) pri atmosférickom alebo zvýšenom tlaku, zvyšok sa vzťahuje na s nízkou teplotou varu.

2.1.1 Oxidačné látky

V tekutých raketách hmotnostné množstvo okysličovadla prevyšuje množstvo palivav priemere 3-6 krát a hmotnosť paliva je 9 krát väčšia ako hmotnosť konštrukcie motora.

Vlastnosti paliva do značnej miery závisia od povahy oxidačného činidla... Napríklad podľa podstatná charakteristika- špecifický ťah - palivo "kvapalný kyslík a petrolej", líšia sa od paliva "kyselina dusičná a petrolej" asi o 15%.

Z nízkovriacich okysličovadiel sa v bežných motoroch najviac používa kvapalný kyslík... Možnosť využitia tekutý fluór, jeho spojenia s kyslík a ozón.

Z vysokovriacich sú široko používané Kyselina dusičnáa jeho zmesi s oxid dusnatý... Dá sa aplikovať oxid dusnatý, peroxid vodíka... Skúmané zlúčeniny fluórs chlóra tetranitrometán.

Uvažujme o niektorých typoch oxidantov.

1. KVAPALNÝ KYSLÍK (O 2 ). Je to pohyblivá kvapalina modrastej farby, o niečo ťažšia ako voda.

Zvláštnosti : kyslík je jedným z najviac silné oxidanty, keďže jeho molekula neobsahuje atómy, ktoré sa nezúčastňujú procesu oxidácie, ako je to napríklad v kyseline dusičnej. Palivá sú efektívnejšie ako s kyslíkmožno získať iba s ozón, fluóralebo fluorid kyslík.

Hlavná nehnuteľnosť, ktorý určuje vlastnosti práce s kvapalinou kyslík, spočíva v ňom nízky bod varu... Z tohto dôvodu sa veľmi rýchlo vyparuje, čo spôsobuje veľké straty pri skladovaní a tankovaní rakety. Nádrž rakety je naplnená kvapalinou kyslíktesne pred štartom rakety. Straty odparovaním pri tankovaní sú až 50% a pri obsahu v rakete až 3% za hodinu. Kvapalina kyslíkskladované a prepravované v špeciálnych kontajneroch - kovových nádržiach s dobrou tepelnou izoláciou.

Kvapalina kyslík nie jedovatý... Krátkodobý kontakt v malom množstve s otvorenými oblasťami ľudského tela nie je nebezpečný: výsledná plynná vrstva neumožňuje omrzliny pokožky.

Kvapalina kyslík- jeden z najviac lacné oxidačné činidlá, čo sa vysvetľuje jednoduchosťou výroby a množstvom surovín. V zložení vody je to 89% hmotnosti a vo vzduchu - 23%. Zvyčajne dostať kyslíkzo vzduchu, skvapalnením a oddelením v kvapalnej forme z dusíkaa iné plyny zemskej atmosféry.

2. KYSELINA DUSIČNÁ (HNO 3 ) ... Chemicky čistá 100% kyselina dusičná je bezfarebná, vysoko pohyblivá, ťažká kvapalina, ktorá vo vzduchu silne dymí.

Zvláštnosti : 100% kyselina dusičná nestabilné a ľahko rozložiteľnéna vode, kyslíka oxidy dusíka.

HNO 3 - Silný oxidant, keďže jeho molekula obsahuje

% kyslík... Pri oxidácii rôznych palív sa rozkladá na vodu, kyslíka dusíka... Priaznivo sa porovnáva so všetkými široko používanými oxidantmi vysoká špecifická hmotnosť... Ako dôsledok vysoká tepelná kapacitamožno ho použiť ako chladiaci komponent komory raketového motora.

Za normálnych prevádzkových podmienok Kyselina dusičná- kvapalina, čo je jedna z jej výhod. rakety,v ktorom sa používa ako oxidačné činidlo, môže byť dlho naplnený, v neustála pripravenosť začať. Nevýhody v prevádzke zahŕňajú výrazné zvýšenie tlakuv hermeticky uzavretých nádobách s kyselina dusičnáv dôsledku procesu jeho rozkladu. Hlavná nevýhoda kyselina dusičná - vysoká korozívna aktivitavo vzťahu k väčšine materiálov. Agresivita kyselina dusičnáznačne sťažuje manipuláciu. Skladovanie a preprava sa vykonáva pomocou špeciálnych kontajnerov.

nevýhody : Kyselina dusičnámá jedovatývlastnosti. Ak sa dostane na ľudskú pokožku, spôsobí vznik bolestivých, dlhotrvajúcich vredov. Zdraviu škodlivé sú aj výpary. kyselina dusičná... Sú lepšie z hľadiska toxicity oxid uhoľnatý 10 krát.

cena kyselina dusičnámalý. Hlavná metóda získania kyselina dusičnábol v oxidácii amoniak kyslíkvzduchu v prítomnosti platinaa rozpustenie výsledného produktu oxidy dusíka vo vode.

N 2+ 2 O2 => 2 NO 2

... DIAZOTE TETRAOXID (N 2 O 4 ) ... Pri normálnej teplote je to žltá kvapalina.

Zvláštnosti : so zvyšujúcou sa teplotou sa rozkladá na oxid dusičitý, lakovaný v červeno-hnedej farbe, takzvaný "hnedý plyn".

Je ich viacero účinnejšie oxidačné činidlo, ako Kyselina dusičná... Palivá na jeho báze majú asi o 5 % väčší špecifický ťah ako palivá s kyselinou dusičnou.

nevýhody : vo vzťahu k materiálom oxid dusnýs výrazne menej agresívne, ako Kyselina dusičná, ale nie menej jedovatý.

Hlavnou nevýhodou je nízky bod varua vysoká teplota tuhnutia, čo výrazne znižuje možnosť jeho použitia v raketových pohonných látkach v čistej forme. Podmienky na jeho použitie sa zlepšujú v zmesiach s inými oxidy dusíka.

4. PEROXID VODÍKA (H 2 O 2 ). Bezfarebná priehľadná ťažká kvapalina.

Zvláštnosti: peroxid vodíka je nestabilná chemická zlúčenina, ktorá sa ľahko rozkladá na vodu a kyslík... Tendencia k rozkladu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou. Pri rozklade vzniká značné množstvo tepla.

Najrozšírenejšie sú vodné roztoky s 80% a 90% koncentráciou peroxidu vodíka. Chemická odolnosť roztokov a bezpečnosť práce s nimi sa dá dosiahnuť zavádzaním stabilizačné látky... Tie obsahujú fosforečnej, octováa kyselina šťaveľová... Povinné stabilizačný stavperoxid vodíka - čistota... Menší nečistotya náhle znečistenie urýchliť jeho rozklada môže dokonca viesť k výbuchu.

V porovnaní s kyselina dusičná peroxid vodíkamá nízka korozívna aktivita, ale oxiduje niektoré kovy.

nevýhody : peroxid vodíka je horľavý a výbušný. Organické látky sa pri kontakte s nimi ľahko vznietia. Pri teplote +175 0C vybuchne. Dostať ho na kožu spôsobuje ťažké popáleniny.

V súčasnosti je peroxid vodíka málo používaný, pretože palivá na jeho báze poskytujú relatívne nízky ťah.

5. KVAPALNÝ FLUÓR (F 2 ). Je to ťažká, svetložltá kvapalina.

Zvláštnosti: fluór má lepšie oxidačné vlastnosti, ako kyslík... Zo všetkých chemických prvkov je to najviac aktívnyvstupujú do zlúčenín s takmer všetkými oxidovateľnými látkami pri bežnej izbovej teplote. V tomto prípade často dochádza k zapáleniu. Dokonca kyslíkoxiduje fluórhorí v jeho atmosfére.

Vďaka svojej extrémne vysokej chemickej aktivite fluórso všetkými palivami tvorí samozápalné palivá... Fluórové palivá však poskytujú vyšší špecifický ťah ako kyslík, iba ak je palivo bohaté vodík... Horľavý obsahujúci veľa uhlíka, formulár s fluórvýrazne menej účinné palivá.

nevýhody : fluórveľmi jedovatý... Je silne žieravý pre pokožku, oči, dýchacie cesty. V raketovej technike sa stále používa len v experimentálnych motoroch.

2.1.2 Palivo

Ako palivo v kvapalných palivách sa používajú najmä látky, v ktorých sú oxidované atómy chemických prvkov atómy uhlíkaa vodík... V prírode existuje extrémne veľké množstvo chemických zlúčenín týchto prvkov. Väčšina z nich je klasifikovaná ako organické látky.

V súčasnosti sa v raketovej technike používa veľa rôznych druhov palív. Napriek tomu, že palivo tvorí len 15-25% hmotnosti paliva, jeho správna voľba má veľký význam... Iba úspešnou kombináciou okysličovadla a paliva môžu byť splnené, ak nie všetky, tak aspoň tie najdôležitejšie požiadavky na palivo. Väčšina raketových palív je vysoko vriaca. Ich spoločné chyba - nízka špecifická hmotnosťjeden a pol až dvakrát menej ako oxidanty.

V praxi ako raketové palivo najčastejšie používaný uhľovodíkktorý je produktom rafinácie ropy (petrolej), amíny, amoniak, hydrazína jeho deriváty.

Zoberme si niektoré druhy paliva.

1. UHĽOVODÍKY (ropné produkty) sú zmesi chemických zlúčenín uhlíkas vodík... Ich energetická náročnosť je nižšia ako u vodíkale vyššia ako tá uhlíka. Najpoužívanejší je petrolej.

Vlastnosti petroleja: je to ľahká kvapalina s vysokým bodom varu a je vysoko odolná proti rozkladu pri zahrievaní. Petrolej nie je látka presne definovaného zloženias jednoznačným chemickým vzorcom, ktorý znemožňuje presné určenie jeho vlastností. V závislosti od ropného poľa sa zloženie a vlastnosti petroleja môžu líšiť. Raketový kerozín obsahuje zvýšený obsahtaký uhľovodíkov, ktorý dať menej vkladovkeď sa motor ochladzuje.

Nevýhody petroleja: pri kontakte s bežnými oxidačnými činidlami sa preto nevznieti je nevyhnutné špeciálny zdroj zapálenie.

Petrolej je široko používaný v raketových palivách s kvapalinou kyslík, kyselina dusičnáoxidanty a peroxid vodíka.

2. amíny - zlúčeniny, ktoré sa získajú, ak sú v molekule amoniakjeden, dva alebo tri atómy vodíknahradiť uhľovodíkové skupiny... V raketovej technike sa našli tieto aplikácie: trietylamín, anilín, xylidín atď.

Zvláštnosť : amíny násilne interagovať skyselina dusičnáa oxid dusnýčo vedie k samovznieteniu. Podľa účinnosti, paliva na základe amínyblízko petroleja. Schopnosť amíny korozívna pre kovy je nízka... Skladujú sa a prepravujú v kontajneroch z bežných železných kovov.

Nevýhody: pre amíny výrazne vyššie nákladyv porovnaní s petrolejom ako aj toxicitučo sa prejavuje ako pri vdýchnutí pár, tak aj pri kontakte s pokožkou.

Na zlepšenie fyzikálnych a chemických vlastností, amínypoužíva sa ako palivo v zmesi s inými látkami vrátane iných amíny.

Na báze paliva amínynašiel uplatnenie v samozápalných palivách s kyselina dusičná oxid dusnatý a ich zmesi.

3. HYDRAZÍN ... Počas spaľovania hydrazínu sa oxidačnej reakcie zúčastňujú iba atómy vodík, a dusíkasa uvoľňuje vo voľnej forme, čím sa zvyšuje množstvo plynu.

Hydrazín je bezfarebná priehľadná kvapalina (približne v rovnakom teplotnom rozsahu ako voda) a má zápach podobný amoniaku. Zvyčajne používa sa v zmesiach s inými látkami.

Zvláštnosti: hydrazín je účinné palivo... To je uľahčené skutočnosťou, že jeho molekula vzniká absorpciou tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní okrem tepla oxidácie. Jeho ďalšou pozitívnou vlastnosťou je vysoká špecifická hmotnosť.

Nevýhody: hydrazín má vysoká teplota tuhnutia, čo je pri prevádzke veľká nepríjemnosť. Jeho výpary pri zahriatí explodujú a zasiahnu. Pri vystavení kyslíkvzduch, oxiduje sa. Hydrazín korozívny... Vytrvalí vo vzťahu k nemu sú hliníka jeho zliatin, nehrdzavejúcej ocele, polyetylén, polyfluóretylén, fluoroplast. Hydrazín jedovatý, dráždi sliznicu očí a môže spôsobiť dočasnú slepotu.

4. NESYMETRICKÝ DIMETYLHYDRAZÍN je bezfarebná priehľadná kvapalina so štipľavým zápachom.

Zvláštnosti : v porovnaní s hydrazínom je použitie oveľa pohodlnejšie, pretože zostáva tekuté v širokom rozsahu teplôt. Má dobrú tepelnú odolnosť. Na rozdiel od hydrazínu jeho výpary neexplodujú z vonkajších vplyvov. Hlavná prednosť- vysoká chemická aktivita. Ľahko sa oxiduje vzdušným kyslíkom a vytvára soli s kyselinou uhličitou, ktoré sa vyzrážajú.

nevýhody : Dimetylhydrazín (v porovnaní s hydrazínom) má ako palivo najhoršiu účinnosť, keďže jeho molekula obsahuje okrem atómov vodíka aj menej účinné atómy uhlíka. Samovznietenie na vzduchu pri teplote 250 °C 0C, zmesi pár dimetylhydrazínu so vzduchom ľahko explodujú a to jedovatý.

2.1.3 Porovnanie najbežnejších kvapalných palív

. Kvapalné kyslíkové palivá poskytnúť najvyšší špecifický ťahvšetkých v súčasnosti používaných raketových palív. Ich hlavnou nevýhodou je nízky bod varuoxidačné činidlo. To sťažuje ich použitie v bojových raketách, ktoré musia byť pripravené na odpálenie dlhú dobu.

Palivá, ako je petrolej, môžu byť použité s kvapalným kyslíkom, asymetrické dimetylhydrazín, amoniak. Špeciálne miestoberie palivo kyslík+ vodík, ktorý poskytuje špecifický ťah o 30-40% vyšší ako ostatné bežné palivá. Toto palivo je najvhodnejšie na použitie vo veľkých raketách.

2. Palivá s kyselinou dusičnou v zmesi 20-30% oxidy dusíkaveľa priznať kyslíkpalivá špecifický ťahale vlastniť výhoda v špecifickej hmotnosti... Okrem toho tieto palivá sú vysoký var dlhotrvajúcilátky, čo vám umožní udržať bojové rakety plne vybavené a nabité po dlhú dobu.

Oxidanty kyseliny dusičnej majú dobré chladiace vlastnosti... Ale kvôli relatívne nízkym teplotám v spaľovacej komore môže byť chladenie motorov so stredným a veľkým ťahom zabezpečené palivom, hoci obsahuje menej paliva ako okysličovadlo.

Horľavý ako zmes amíny, nesymetrický dimetylhydrazína niektoré ďalšie látky formulárs oxidantmi kyseliny dusičnej samozápalné palivá... Petrolej a iné uhľovodíkov vyžadujú nútené zapálenie.

3. Palivá na báze oxidu dusíka dať mierne vyšší špecifický ťahako kyselina dusičná, ale majú znížená špecifická hmotnosť... Napriek takej prevádzkovej nevýhode, akou je vysoká teplota tuhnutia oxidačného činidla, nachádzajú uplatnenie v raketách dlhého doletu. Takéto palivá boli nahradené kyslíkpalivo, pretože umožňujú skladovať raketu v nabitom stave, pripravenú na štart.

Výhodou palív na báze oxidu dusnatého je tiež samovznietenie.

2.2 Tuhé pohonné látky

Vo vzhľadevšetky poplatky za tuhé palivo sú husté pevné látkyhlavne tmavé farby... Raketové pohonné látky majú zvyčajne tmavohnedú farbu a vyzerajú ako nadržaná látka. Ak obsahujú prísady (napríklad vo forme sadzí), ich farba je čierna. Zmiešané palivá sú čierne a čierno-sivé v závislosti od farby paliva a prísad a sú zvyčajne podobné vysoko vulkanizovanému kaučuku, ale sú menej elastické a krehkejšie.

Tuhé palivá prakticky bezpečnéako z hľadiska účinku na ľudský organizmus, tak aj vo vzťahu k rôznym konštrukčným materiálom. Pri skladovaní za normálnych podmienok sú nevypúšťajú agresívne látky... Raketový prášok vďaka prchavým vlastnostiam rozpúšťadla – nitroglycerínu (obr. 1) – môže spôsobiť krátkodobé, nie veľmi silné bolesti hlavy.

Obr. Štrukturálny vzorec nitroglycerín

2.2.1 Raketové pohonné hmoty

Raketové pohonné látky sú komplexné viaczložkové systémy, v ktorých má každá látka svoju vlastnú úlohu, aby sa získali požadované vlastnosti konkrétneho typu pohonnej látky. Hlavnou zložkou pohonných látok sú dusičnany celulózy,ktoré pri horení vyžarujú najväčší počet termálna energia. Určujú aj fyzikálno-chemické vlastnosti strelného prachu. Uvažujme o niektorých zložkách hnacích plynov.

1. NITRÁTY CELULÓZY alebo nitrocelulóza, sa získavajú úpravou celulózy zmesou kyseliny dusičnej a sírovej. Toto spracovanie sa nazýva nitrácia... Surový materiál - celulóza(vláknina) je v prírode rozšírená látka, z ktorej sa takmer úplne skladá ľan, konope, bavlna atď.

Dusičnany celulózy sú sypká hmota. Oni horľavýaj zo slabej iskry. K horeniu dochádza v dôsledku kyslíka obsiahnutého v nitroskupinách a prívod kyslíka zvonku nie je potrebný... Avšak priamo pomocou nitrocelulózaje vylúčený ako raketové palivo, keďže z neho nie je možné vyrobiť nálož, ktorá horí podľa prísne definovaného zákona. Aj po silnom stlačení má veľa pórov. Horí nielen vonku, ale aj vo vnútri, pretože horľavý plyn preniká dovnútra cez póry. Preto môže dôjsť k výbuchuschopný zničiť motor. Aby tomu zabránili, vyrábajú plastifikácie nitrocelulóza, to znamená, že sa z neho pripraví tuhý roztok homogénneho zloženia bez pórov.

2. riedidlá na plasty nitrocelulóza - nitroglycerín, nitroglykola niektoré ďalšie látky. Sú druhou hlavnou zložkou pohonných hmôt, čo sa týka hmotnosti aj skladovania energie. Často sú tzv neprchavé rozpúšťadlá, pretože nie sú odstránené z roztoku počas výrobného procesu, ale úplne zostávajú v prášku.

NITROGLYCERÍN - látka vznikajúca pri nitrácii trojsýtny alkohol glycerín- zmes dusíkaa kyselina sírová... Je to bezfarebná olejovitá kvapalina.

nitroglycerín - silná výbušnina... Pri náraze alebo trení ľahko exploduje. K jeho spaľovaniu dochádza v dôsledku kyslíka obsiahnutého v nitroskupinách. Keďže v jeho molekule je prebytok kyslíka, časť kyslíka sa využíva na dodatočnú oxidáciu nitrocelulózy, čo vedie k celkovému zvýšeniu energetickej rezervy tuhého paliva. So zvýšením obsahu nitroglycerínu v hnacích plynoch rásť, pestovaťnielen ich energetické ukazovatele, ale tiež výbušnosťa citlivosť na otrasy... Raketové pohonné hmoty s vysokým obsahom nitroglycerínu poskytujú vysoký špecifický ťah.

Na plastifikáciu nitrocelulózana uľahčenie technológie výroby, zvýšenie času a prípustnej teploty skladovania náloží sa používajú aj iné rozpúšťadlá.

NITROGLYCOL ako výbušnina menej citlivé na mechanické namáhanie... Získava sa nitráciou etylénglykol... skladom kyslíkv jeho molekule je menej ako v molekule nitroglycerín, teda použitie ako rozpúšťadlo zhoršuje energetickú výkonnosť pušný prach.

okrem nitroglycerína nitroglykolniekedy sa takéto rozpúšťadlo používa nitrocelulóza, ako nitroguanidín.

3. DODATOČNÉ PLASTIKÁTORY a látky, ktoré regulujú energetické vlastnosti palivá, dobre sa kombinujú so zásaditými rozpúšťadlami. Neobsahujú vôbec, alebo obsahujú veľmi málo aktívnej látky kyslíka preto sa do zloženia hnacích plynov zavádzajú v malých množstvách, aby sa neznížili ich energetické charakteristiky. Patria sem látky ako napr dinitroluén,dibutylftalát, dietylftalát.

4. STABILIZÁTORY sa zavádzajú do zloženia hnacích plynov na zvýšenie ich chemickej odolnosti. Pri skladovaní hnacích plynov dochádza k rozkladu nitrocelulózaso vzdelaním oxidy dusíkaktoré urýchľujú jeho ďalší rozklad, čím sa stáva výbušným. Stabilizátory spomaľujú rozklad nitrocelulózaspojenie s pútavým oxidy dusíka, viažu ich a menia ich na chemicky neaktívne látky.

5. LÁTKY, KTORÉ ZLEPŠUJÚ SPAĽOVANIE PRÁŠOK , poskytnúť zrýchlenie, spomaleniealebo stabilizáciaspaľovací proces v komore raketových motorov na tuhé palivo. Patrí medzi ne veľké množstvo solí alebo oxidov rôznych kovov ( cínSn , mangánMn , zinokZn , chrómCr , viesťPb , titánTi , draslíkK , báriumBa atď.).

6. TECHNOLOGICKÉ PRÍDAVNÉ LÁTKY ? látky, ktoré uľahčujú proces výroby strelného prachu, sa zavádzajú do najdôležitejších operácií znížiť trenie a zaťaženie stroja... Pôsobia ako mazivo v palivovej hmote aj medzi hmotou a nástrojom. Na tento účel sa používa krieda na zníženie vnútorného trenia, vazelína a transformátorový olej, grafit, stearát viesťa iné látky zníženie tlaku počas lisovania. Zavádzajú sa v malých množstvách.

Výroba raketového prášku sa uskutočňuje v komplexe technologická schéma použitím vysoké teploty a tlak... Výrobná úloha zahŕňa výrobu pevných homogénnych práškových náplní, ktoré spĺňajú množstvo prísnych požiadaviek, z veľkého množstva látok, ktoré sa líšia chemickými a fyzikálnymi vlastnosťami, ako aj stavom agregácie.

2.2.2 Zmiešané pohonné látky

V porovnaní s hnacími plynmi majú zmiešané palivá oveľa jednoduchšie zloženie. Zahŕňajú dve alebo tri, zriedka štyri zložky. Poďme sa na niektoré z nich pozrieť.

1. AS Oxidanty ZMIEŠANÉ PALIVÁ spravidla sa používajú soli anorganických kyselín - dusíkaa chlór... Ich vlastnosťou je vysoké percento kyslíka v molekule... Všetky podľa hmotnosti pozostávajú približne z polovice z kyslíka. Za normálnych podmienok sú chemicky odolné, ale pri silnom zahriatí s sú schopné rozkladať sa uvoľňovaním voľného kyslíka.Všetky tuhé oxidanty obsahujú okrem kyslík, atómy chemických prvkov schopné oxidácie. Preto sa pri rozklade týchto oxidantov časť kyslíkukazuje sa, že je s týmito prvkami spojený a voľný kyslíkuvoľňuje oveľa menej, ako je prítomné v molekule.

Najbežnejším oxidačným činidlom pre tuhé palivá je PERCHLORÁT AMONIAK ... Táto soľ je biely (bezfarebný) kryštalický prášok a pri zahriatí nad 150 °C sa rozkladá 0C. Na vzduchu je mierne zvlhčený. Citlivý na otrasy a trenie, najmä v prítomnosti organických nečistôt. Môže horieť bez paliva a explodovať. Pri horení neuvoľňuje tuhé látky, ale splodiny jeho horenia obsahujú agresívny a dosť jedovatý plyn - chlorovodík (HCl), ktorý s ním v prítomnosti vlhkosti tvorí kyselinu chlorovodíkovú. Výhody chloristanu amónneho spočívajú v tom, že má nízku teplotu rozkladu a rozkladá sa len na plynné produkty s nízkou molekulovou hmotnosťou, má nízku hygroskopickosť, je dostupný a lacný.

Ďalším oxidačným činidlom je PERCHLORÁT DRASELNÝ ... Táto soľ sa rozkladá pri teplotách nad 440 °C 0C, nie je zvlhčený na vzduchu (nehygroskopický), nehorí ani neexploduje. Všetok kyslík obsiahnutý v jeho zložení je aktívny. Pri horení uvoľňuje pevnú látku – chlorid draselný, ktorý vytvára hustý dymový oblak. Prítomnosť chloridu draselného v splodinách horenia prudko zhoršuje vlastnosti raketových palív, teda podmienky na premenu tepelnej energie na kinetickú energiu v dýze raketového motora.

Ďalším široko používaným oxidačným činidlom je DUSIČNAN AMÓNNY (dusičnan amónny), tiež používaný ako dusíkaté hnojivo. Je to bezfarebný (biely) kryštalický prášok. Rozkladá sa pri 243 0C. Schopný horieť a explodovať. Pri spaľovaní sa uvoľňuje len veľké množstvo plynných produktov. Zmesi s organickej hmoty sú schopné samovoľného vznietenia, preto je skladovanie raketových palív na ich základe vážnym problémom. Má jedovaté vlastnosti.

Uvedené príklady nevyčerpávajú zoznam možných okysličovadiel raketových motorov na tuhé palivo, ktoré možno použiť napr. chloristan lítny, nitrozyla nitrónium, dinitrát hydrazín atď.

2. HORĽAVÉ VIAZUJÚCE LÁTKY zmesových palív - toto je vysoká molekulová hmotnosť Organické zlúčeniny alebo polyméry. Polymérysa nazývajú také zlúčeniny, ktorých molekuly pozostávajú z veľmi veľkého počtu elementárnych jednotiek rovnakej štruktúry. Elementárne prepojenia sú vzájomne prepojené dlhé reťaze lineárna alebo rozvetvená štruktúra. Vlastnosti polyméru závisia od chemická štruktúra elementárne väzby, ich počet a vzájomné usporiadanie.

Mnoho pevných polymérov je vyrobených z tekutých látok - monoméryktorých molekuly pozostávajú z relatívne malého počtu atómov. Monoméry sa môžu spontánne spájať do dlhých reťazcov – polyméry? tento proces sa nazýva polymerizácia.

Na urýchlenie polymerizácie, čiže tvrdnutia, sa používajú niektoré špeciálne látky, tzv iniciátorov, alebo tvrdidlá.

Mnohé vysokomolekulárne zlúčeniny sa dokážu dobre premiešať a zlepiť s práškami (s kryštalickým oxidačným činidlom a kovovým práškom) a potom sa po polymerizácii zmeniť na pevnú monolitickú hmotu. Pri zahrievaní niektoré polyméry zmäknú, stávajú sa viskóznymi a v tejto forme môžu zmiešame s plnivami, držať ich pevne... Zároveň sa dajú nalievať do foriem a prijímať palivové náplne. dané veľkosti a tvary.

Na použitie ako horľavé spojivá, syntetické zlúčeniny typu gumy, živice a plastya ťažké ropné produkty - asfalt a bitúmen... Zloženie a vlastnosti ropných produktov sa líšia vo veľmi širokom rozmedzí a požadované mechanické vlastnosti sú zachované len v malom rozsahu teplôt. Preto syntetické látky sa používajú častejšies konštantnejším zložením a lepšími mechanickými vlastnosťami. V praxi sa používajú gumy - POLYURETÁN , BUTADIENE aPOLYSULFID , živica - POLYESTER , EPOXID ACARBAMIDE ako aj niektoré plasty, ktoré obsahujú atómy dusíka, kyslík, síraalebo chlór.

Hlavný obmedzeniapolymérne živice a plasty ako horľavé spojivá - nízka elasticitaa zvýšená krehkosť pri nízkych teplotách... Syntetické kaučuky väčšinou nemajú tieto nevýhody.

3. PRÁŠKOVÉ KOVY môžu byť zavedené do zloženia zmesových palív ako dodatočná horľavá zložka. Vhodné sú na to kovové berýlium, lítium, hliník, horčík, ako aj niektoré ich prepojenia. V dôsledku zavedenia týchto kovov zvýšená energetická rezervapalivo, t.j. špecifický ťah sa zvyšujemotory. Okrem toho kovové prísady zvýšiť špecifickú hmotnosť paliva, čo zlepšuje vlastnosti motora a rakety ako celku. Treba mať na pamäti, že čím vyšší je obsah paliva s obsahom kovu, tým vyššia je teplota produktov ich spaľovania. Takmer všetky moderné zmiešané palivá obsahujú ako zložky kovy.

Najúčinnejšie kovové palivo je BERÝLIUM vyhliadky na využitie berýlia sú však veľmi obmedzené, pretože jeho zásob bezvýznamný, a produkty spaľovania sú veľmi jedovatý... Ďalším najefektívnejším kovom je LÍTIUM ... Jeho aplikácia je inhibovaná veľmi nízky bod topenia (+186 0C) a samovznietenie na vzduchuv roztavenom stave. Najbežnejšie a najlacnejšie kovové palivo je HLINÍKOVÝ ... Použitie jemne mletého hliníkového prášku nielen v zmiešaných palivách zvyšuje špecifický ťahmotory, ale aj zlepšuje spoľahlivosťich spustiťa zvyšuje stabilitu spaľovania paliva. HORČÍK používa sa zriedka, pretože poskytuje nízky špecifický ťah v palivách.

Okrem čistých kovov sa študuje využitie ich zlúčenín s vodíkom (hydridy) ako prídavných horľavých látok.

4. KATALYZÁTORY A INÉ PRÍDAVNÉ LÁTKY sa zavádzajú do kompozitných palív v malé množstvápre zlepšenie spaľovacieho procesu(sadze, soli niektorých kovov), dávaťpalivo plastické vlastnosti(rastlinné, minerálne a syntetické oleje), zlepšenie skladovacej stability a stability zloženia ( dietylftalát, etylcentralit), ktoré uľahčujú technológiu výroby.

Technológia výroby náloží zo zmesových palív zahŕňa miešanie zložiek paliva, odlievanie a tuhnutie. Vo všeobecnosti je proces výroby kompozitných palív jednoduchší ako pohonné hmoty, avšak pri výrobe veľkorozmerných náplní je potrebné prekonať veľké technologické ťažkosti.

Bibliografia

raketové palivo horľavé okysličovadlo

Použité elektronické zdroje:

1. „Raketové palivá moderných medzikontinentálnych balistické rakety».

. A.V. Karpenko "Z histórie rakiet na tuhé palivo."

. Wikipedia (slobodná encyklopédia).

Doučovanie

Potrebujete pomoc pri skúmaní témy?

Naši odborníci vám poradia alebo poskytnú doučovacie služby na témy, ktoré vás zaujímajú.
Pošlite žiadosť s uvedením témy práve teraz sa informovať o možnosti získania konzultácie.