Roket yakıtı yakıt ve oksitleyici içerir ve jet yakıtından farklı olarak harici bir bileşene ihtiyaç duymaz: hava veya su. Roket yakıtları, kümelenme durumlarına göre sıvı, katı ve hibrit olarak ayrılır. Sıvı yakıtlar kriyojenik (bileşenlerin kaynama noktası sıfır santigrat derecenin altında) ve yüksek kaynama noktasına (geri kalanı) ayrılır. Katı yakıtlar, kimyasal bir bileşik, katı bir çözelti veya plastikleştirilmiş bir bileşen karışımından oluşur. Hibrit yakıtlar, farklı agrega halindeki bileşenlerden oluşur ve şu anda araştırma aşamasındadır.
Tarihsel olarak, ilk roket yakıtı, ilk olarak MS 2. yüzyılda Çin roketlerinde kullanılan, güherçile (oksitleyici), odun kömürü (yakıt) ve kükürt (bağlayıcı) karışımı olan kara baruttu. Katı yakıtlı roket motoruna (katı yakıtlı roket motoru) sahip mühimmat, askeri işlerde yangın çıkarıcı ve sinyal aracı olarak kullanıldı.
19. yüzyılın sonunda dumansız tozun icadından sonra, nitrogliserin (oksitleyici bir ajan) içinde katı bir nitroselüloz (yakıt) çözeltisinden oluşan tek bileşenli bir balistit yakıt geliştirildi. Balistit yakıt, kara barutla karşılaştırıldığında kat kat daha yüksek enerjiye sahiptir, yüksek mekanik mukavemete sahiptir, iyi şekillendirilmiştir, depolama sırasında kimyasal stabiliteyi uzun süre korur ve düşük maliyetlidir. Bu nitelikler, katı yakıtlarla donatılmış en büyük mühimmatta balistik yakıtın yaygın kullanımını önceden belirledi - roketler ve el bombaları.
Gaz dinamiği, yanma fiziği ve yüksek enerjili bileşiklerin kimyası gibi bilimsel disiplinlerin yirminci yüzyılın ilk yarısındaki gelişimi, sıvı bileşenlerin kullanımı yoluyla roket yakıtlarının bileşimini genişletmeyi mümkün kıldı. Sıvı yakıtlı roket motoru (LPRE) "V-2" ile ilk savaş füzesi, kriyojenik bir oksitleyici - sıvı oksijen ve yüksek kaynama noktalı bir yakıt - etil alkol kullandı.
Dünya Savaşı'ndan sonra, roket silahları, nükleer yükleri herhangi bir mesafedeki bir hedefe - birkaç kilometreden (roket sistemleri) kıtalararası menzile (balistik füzeler) kadar ulaştırma yetenekleri nedeniyle, diğer silah türlerine göre geliştirmede bir öncelik aldı. Ek olarak, roket motorları ile mühimmat fırlatırken geri tepme kuvvetinin olmaması nedeniyle roket silahları havacılık, hava savunması, kara kuvvetleri ve donanmadaki topçu silahlarının önemli ölçüde yerini almıştır.
Balistik ve sıvı roket yakıtı ile eş zamanlı olarak, geniş çalışma sıcaklık aralığı, bileşen dökülme tehlikesinin ortadan kaldırılması, katı yakıtlı roket motorlarının maliyetinin düşük olması nedeniyle askeri kullanıma en uygun olarak geliştirilen çok bileşenli karma katı yakıtlar birim ağırlık başına daha yüksek itme gücüne sahip boru hatları, vanalar ve pompalar.
Roket yakıtlarının temel özellikleri
Bileşenlerinin toplanma durumuna ek olarak, roket yakıtları aşağıdaki göstergelerle karakterize edilir:
- belirli itme dürtüsü;
- termal kararlılık;
- kimyasal stabilite;
- biyolojik toksisite;
- yoğunluk;
- dumanlılık.
Roket yakıtlarının özgül itme kuvveti, motorun yanma odasındaki basınca ve sıcaklığa ve ayrıca yanma ürünlerinin moleküler bileşimine bağlıdır. Ek olarak, özgül darbe motor memesinin genleşme oranına bağlıdır, ancak bu daha çok roket teknolojisinin dış ortamıyla (hava atmosferi veya uzay boşluğu) ilgilidir.
Yüksek mukavemetli yapısal malzemeler (roket motorları için çelik alaşımlar ve katı yakıtlar için organoplastikler) kullanılarak artan basınç sağlanır. Bu açıdan, sıvı yakıtlı roket motorları, büyük bir yanma odası olan katı yakıtlı bir motorun gövdesine kıyasla, tahrik ünitelerinin kompaktlığı nedeniyle katı yakıtlardan öndedir.
Yanma ürünlerinin yüksek sıcaklığı, katı yakıta metal alüminyum veya kimyasal bir bileşik - alüminyum hidrit eklenerek elde edilir. Akaryakıtlar, bu tür katkı maddelerini ancak özel katkı maddeleri ile koyulaştırılırsa kullanabilirler. Sıvı yakıtlı roket motorlarının termal koruması, yakıtla soğutma, katı yakıtların termal koruması - yakıt bloğunu motorun duvarlarına sıkıca tutturma ve kritik bölümünde karbon-karbon kompozitten yapılmış yanma eklerinin kullanılmasıyla sağlanır. meme.
Yakıtın yanma / bozunma ürünlerinin moleküler bileşimi, akış hızını ve meme çıkışındaki agregasyon durumlarını etkiler. Moleküllerin ağırlığı ne kadar düşükse, akış hızı o kadar yüksek olur: en çok tercih edilen yanma ürünleri su molekülleridir, bunu nitrojen, karbon dioksit, klor oksitler ve diğer halojenler takip eder; en az tercih edilen, motor memesinde bir katı halinde yoğunlaşan ve böylece genleşen gazların hacmini azaltan alüminadır. Ek olarak, alüminyum oksit fraksiyonu, en verimli parabolik Laval nozullarının aşındırıcı aşınması nedeniyle konik nozulların kullanımını zorlar.
Askeri roket yakıtları için, roket teknolojisi operasyonunun geniş sıcaklık aralığı nedeniyle termal kararlılıkları özellikle önemlidir. Bu nedenle, kriyojenik sıvı yakıtlar (oksijen + kerosen ve oksijen + hidrojen) sadece kıtalararası balistik füzelerin (R-7 ve Titan) geliştirilmesinin ilk aşamasında ve ayrıca yeniden kullanılabilir uzay araçlarının (Uzay Mekiği ve Uzay Mekiği) fırlatma araçlarında kullanıldı. Energia), uyduları ve uzay silahlarını düşük dünya yörüngesine fırlatmak için tasarlandı.
Şu anda ordu, nitrojen tetroksit (AT, oksitleyici) ve asimetrik dimetilhidrazin (UDMH, yakıt) bazlı yalnızca yüksek kaynama noktalı sıvı yakıt kullanıyor. Bu yakıt çiftinin termal kararlılığı, bu yakıtın ICBM ve SLBM füze silolarında termostatlı koşullar altında füzeler tarafından kullanımını sınırlayan AT'nin (+ 21 ° C) kaynama noktası ile belirlenir. Bileşenlerin saldırganlığı nedeniyle, füze tanklarının üretim ve işletim teknolojisi, dünyada sadece bir ülkeye aitti - SSCB / RF (ICBM'ler "Voevoda" ve "Sarmat", SLBM'ler "Sineva" ve " astar"). İstisna olarak, AT + NDMG, Kh-22 Tempest uçak seyir füzeleri için yakıt olarak kullanılır, ancak kara operasyonundaki sorunlar nedeniyle, Kh-22 ve yeni nesil Kh-32'nin jet motorlu ile değiştirilmesi planlanmaktadır. Yakıt olarak gazyağı kullanan zirkon seyir füzeleri.
Katı yakıtların termal stabilitesi esas olarak solvent ve polimer bağlayıcının karşılık gelen özellikleri ile belirlenir. Balistit yakıtların bileşiminde, çözücü, nitroselülozlu katı bir çözeltide eksi ila artı 50 ° C arasında bir sıcaklık aralığına sahip olan nitrogliserindir. Karışık yakıtlarda, polimer bağlayıcı olarak aynı çalışma sıcaklık aralığına sahip çeşitli sentetik kauçuklar kullanılmaktadır. Bununla birlikte, katı yakıtların ana bileşenlerinin (amonyum dinitramit + 97 ° C, alüminyum hidrit + 105 ° C, nitroselüloz + 160 ° C, amonyum perklorat ve HMX + 200 ° C) termal stabilitesi, bilinen bağlayıcıların benzer özelliklerini önemli ölçüde aşmaktadır. ve bu nedenle yeni kompozisyonları için arama yapmak önemlidir.
Kimyasal olarak en kararlı yakıt çifti AT + UDMG'dir, çünkü bunun için neredeyse sınırsız bir süre boyunca hafif bir aşırı azot basıncı altında alüminyum tanklarda benzersiz bir yerli ampulize depolama teknolojisi geliştirilmiştir. Tüm katı yakıtlar, polimerlerin ve teknolojik çözücülerinin kendiliğinden ayrışması nedeniyle zamanla kimyasal olarak bozunur, ardından oligomerler diğer daha kararlı yakıt bileşenleri ile kimyasal reaksiyonlara girer. Bu nedenle, katı yakıt kontrolörlerinin düzenli olarak değiştirilmesi gerekir.
Roket yakıtlarının biyolojik olarak toksik bileşeni, merkezi sinir sistemini, gözlerin mukoza zarlarını ve insan sindirim sistemini etkileyen ve kansere neden olan UDMH'dir. Bu bağlamda, UDMH ile çalışma, bağımsız solunum cihazı kullanımı ile kimyasal koruyucu giysilerde gerçekleştirilir.
Yakıt yoğunluğunun değeri, LPRE yakıt tanklarının ve katı yakıtlı roket gövdesinin kütlesini doğrudan etkiler: yoğunluk ne kadar yüksek olursa, roketin parazit kütlesi o kadar az olur. Hidrojen + oksijen yakıt çiftinin en düşük yoğunluğu 0.34 g/cu'dur. cm, bir çift kerosen + oksijenin yoğunluğu 1.09 g/cu'dur. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / kübik. cm, nitroselüloz + nitrogliserin - 1,62 g / cu. cm, alüminyum / alüminyum hidrit + perklorat / amonyum dinitramit - 1.7 g / cc, HMX + amonyum perklorat - 1.9 g / cc. Bu durumda, eksenel yanmalı katı yakıtlı roket motorunun, kullanılan yanma kanalının yıldız şeklindeki bölümü nedeniyle yakıt yükünün yoğunluğunun yakıtın yoğunluğundan yaklaşık iki kat daha az olduğu unutulmamalıdır. yakıt yanma derecesine bakılmaksızın yanma odasında sabit bir basınç sağlamak. Aynısı, roket ve roketlerin yanma süresini ve hızlanma mesafesini kısaltmak için bir dizi kayış veya çubuk şeklinde oluşturulan balistik yakıtlar için de geçerlidir. Bunların aksine, HMX'e dayalı katı yakıtlı roket motorlarındaki yakıt yükünün yoğunluğu, bunun için belirtilen maksimum yoğunlukla çakışmaktadır.
Roket yakıtlarının temel özelliklerinin sonuncusu, roketlerin ve roketlerin uçuşunu görsel olarak ortaya çıkaran yanma ürünlerinin dumanıdır. Bu özellik, oksitleri roket motoru nozülündeki genleşme sırasında katı halde yoğunlaşan alüminyum içeren katı yakıtlarda bulunur. Bu nedenle, bu yakıtlar, yörüngesinin aktif kısmı düşmanın görüş alanı dışında olan balistik füzelerin katı iticilerinde kullanılır. Uçak füzeleri, HMX ve amonyum perklorat yakıtı, roketler, el bombaları ve tanksavar füzeleri ile balistik yakıtla beslenir.
Roket yakıtlarının enerjisi
Çeşitli roket yakıtı türlerinin enerji yeteneklerini karşılaştırmak için, yanma odasındaki basınç ve roket motoru memesinin genleşme oranı şeklinde onlar için karşılaştırılabilir yanma koşulları ayarlamak gerekir - örneğin, 150 atmosfer ve 300 kat genişleme. Ardından, yakıt çiftleri/üçüzleri için özgül dürtü şöyle olacaktır:
oksijen + hidrojen - 4.4 km / s;
oksijen + kerosen - 3.4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amonyum dinitramit + hidrojen hidrit + HMX - 3,2 km / s;
amonyum perklorat + alüminyum + HMX - 3,1 km / s;
amonyum perklorat + HMX - 2,9 km / s;
nitroselüloz + nitrogliserin - 2.5 km / s.
Amonyum dinitramit bazlı katı yakıt, 1980'lerin sonlarında yerli bir gelişmedir, RT-23 UTTKh ve R-39 füzelerinin ikinci ve üçüncü aşamaları için yakıt olarak kullanılmış ve en iyi örnekler tarafından enerji özelliklerinde henüz geçilmemiştir. Minuteman-3 ve Trident-2 füzelerinde kullanılan amonyum perklorat bazlı yabancı yakıt. Amonyum dinitramit, ışık radyasyonundan bile patlayan bir patlayıcıdır, bu nedenle üretimi düşük güçlü kırmızı lambalarla aydınlatılan odalarda gerçekleştirilir. Teknolojik zorluklar, SSCB dışında dünyanın herhangi bir yerinde roket yakıtı üretim sürecine hakim olmasına izin vermedi. Başka bir şey de, Sovyet teknolojisinin rutin olarak yalnızca Ukrayna SSR'sinin Dnepropetrovsk bölgesinde bulunan Pavlograd kimya tesisinde uygulanması ve tesisin ev kimyasalları üretmeye dönüştürülmesinden sonra 1990'larda kaybolmasıydı. Bununla birlikte, RS-26 "Rubezh" tipi gelecek vaat eden silahların taktik ve teknik özelliklerine bakıldığında, teknoloji 2010'larda Rusya'da restore edildi.
Oldukça etkili bir bileşimin bir örneği, adını Federal Devlet Üniter Girişim İzin Tesisi'ne ait olan 2241693 sayılı Rus patentinden katı roket yakıtının bileşimidir. SANTİMETRE. Kirov :
oksitleyici ajan - amonyum dinitramit, %58;
yakıt - alüminyum hidrit, %27;
plastikleştirici - nitroizobutiltrinitratgliserin, %11,25;
bağlayıcı - polibütadien nitril kauçuk, 2, %25;
sertleştirici - kükürt, %1,49;
yanma stabilizatörü - ultra ince alüminyum, %0.01;
katkı maddeleri - karbon siyahı, lesitin vb.
Roket yakıtlarının geliştirilmesi için beklentiler
Sıvı roket yakıtlarının geliştirilmesi için ana talimatlar (uygulama önceliği sırasına göre):
- oksitleyicinin yoğunluğunu arttırmak için aşırı soğutulmuş oksijen kullanımı;
- alüminyum tankların sıvı metan sıcaklığında sertleştiği gerçeği dikkate alınarak, yanıcı bileşeni kerosenden %15 daha yüksek enerjiye ve 6 kat daha iyi ısı kapasitesine sahip olan bir yakıt buharı oksijen + metan'a geçiş;
- oksitleyicinin kaynama noktasını ve enerjisini arttırmak için oksijen bileşimine %24 düzeyinde ozon eklenmesi (ozonun büyük bir kısmı patlayıcıdır);
- bileşenleri pentaboran, pentaflorür, metaller veya bunların hidritleri süspansiyonlarını içeren tiksotropik (kalınlaştırılmış) yakıtın kullanılması.
Falcon 9 fırlatma aracında zaten süper soğutulmuş oksijen kullanılıyor; Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri'nde oksijen + metan yakıtlı roket motorları geliştiriliyor.
Katı roket yakıtlarının geliştirilmesindeki ana yön, moleküllerinde bir bütün olarak katı yakıtların oksidasyon dengesini iyileştiren oksijen içeren aktif bağlayıcılara geçiştir. Böyle bir bağlayıcının modern bir yerli örneği, Devlet Araştırma Enstitüsü "Kristall" (Dzerzhinsk) tarafından geliştirilen siklik dinitril dioksit ve butilendiol polieterüretan gruplarını içeren polimer bileşimi "Nika-M" dir.
Bir başka umut verici yön, HMX ile karşılaştırıldığında (eksi %22) daha yüksek bir oksijen dengesine sahip olan kullanılmış nitramin patlayıcılarının aralığının genişletilmesidir. Her şeyden önce, bunlar heksanitroheksaazaisowurtzitane (Cl-20, oksijen dengesi eksi% 10) ve oktanitroküban (sıfır oksijen dengesi), beklentileri üretim maliyetlerini düşürmeye bağlı - şu anda Cl-20 daha pahalı bir büyüklük sırası octonitrocubane, HMX'den çok daha pahalıdır ve Cl-twenty'den daha pahalıdır.
Bilinen bileşen tiplerini geliştirmenin yanı sıra, molekülleri yalnızca tekli bağlarla bağlanmış nitrojen atomlarından oluşan polimer bileşikleri oluşturma yönünde de araştırmalar yürütülmektedir. Bir polimer bileşiğinin ısıtma etkisi altında ayrışmasının bir sonucu olarak, azot, üçlü bir bağla bağlanmış iki atomun basit moleküllerini oluşturur. Bu durumda açığa çıkan enerji, nitramin patlayıcılarının enerjisinin iki katıdır. İlk kez, 2009 yılında Rus ve Alman bilim adamları tarafından, 1 milyon atmosferlik bir basınç ve 1725 ° C'lik bir sıcaklık altında ortak bir pilot tesiste yapılan deneyler sırasında elmas benzeri bir kristal kafese sahip azot bileşikleri elde edildi. Şu anda, normal basınç ve sıcaklıkta nitrojen polimerlerinin yarı kararlı durumunu elde etmek için çalışmalar devam etmektedir.
Daha yüksek nitrojen oksitler, umut verici oksijen içeren kimyasal bileşiklerdir. İyi bilinen nitrik oksit V (düz bir molekülü iki nitrojen atomu ve beş oksijen atomundan oluşur), düşük erime noktası (32 °C) nedeniyle katı yakıtın bir bileşeni olarak pratik bir değere sahip değildir. Bu yöndeki araştırmalar, çerçeve molekülü tetrahedron şeklinde olan nitrik oksit VI'nın (tetra-azot heksaoksit) sentezi için bir yöntem aranarak gerçekleştirilir. tetrahedronun kenarlarında bulunan altı oksijen atomu. Nitrik oksit VI molekülündeki atomlar arası bağların tamamen kapanması, ürotropininkine benzer şekilde artan termal stabilitesini tahmin etmeyi mümkün kılar. Nitrik oksit VI'nın oksijen dengesi (artı %63), katı roket yakıtındaki metaller, metal hidritler, nitraminler ve hidrokarbon polimerler gibi yüksek enerjili bileşenlerin özgül ağırlığını önemli ölçüde artırmayı mümkün kılar.
