Karburanti i raketës përmban karburant dhe oksidues dhe, ndryshe nga karburanti i avionit, nuk ka nevojë për një përbërës të jashtëm: ajër ose ujë. Karburantet raketore, sipas gjendjes së tyre të grumbullimit, ndahen në të lëngshme, të ngurta dhe hibride. Karburantet e lëngëta ndahen në kriogjenike (me pikën e vlimit të përbërësve nën zero gradë Celsius) dhe me valë të lartë (pjesa tjetër). Karburantet e ngurta përbëhen nga një përbërës kimik, një zgjidhje e ngurtë ose një përzierje e plastifikuar e përbërësve. Karburantet hibride përbëhen nga përbërës në gjendje të ndryshme agregate, dhe aktualisht janë në fazën e kërkimit.
Historikisht, karburanti i parë i raketës ishte pluhuri i zi, një përzierje e kripës (oksiduesit), qymyr druri (karburant) dhe squfurit (lidhës), i cili u përdor për herë të parë në raketat kineze në shekullin e 2 pas Krishtit. Municioni me një motor rakete shtytëse të ngurtë (motor rakete shtytëse të ngurta) u përdor në çështjet ushtarake si një mjet ndezës dhe sinjalizues.
Pas shpikjes së pluhurit pa tym në fund të shekullit të 19-të, një karburant ballistit me një përbërës u zhvillua në bazë të tij, i përbërë nga një zgjidhje e ngurtë e nitrocelulozës (karburantit) në nitroglicerinë (një agjent oksidues). Karburanti ballistik ka një shumëfish të energjisë më të lartë në krahasim me pluhurin e zi, ka forcë të lartë mekanike, është i formuar mirë, ruan qëndrueshmërinë kimike për një kohë të gjatë gjatë ruajtjes dhe ka një çmim me kosto të ulët. Këto cilësi paracaktuan përdorimin e gjerë të karburantit balistik në municionin më masiv të pajisur me shtytës të fortë - raketa dhe granata.
Zhvillimi në gjysmën e parë të shekullit të njëzetë të disiplinave të tilla shkencore si dinamika e gazit, fizika e djegies dhe kimia e përbërjeve me energji të lartë bëri të mundur zgjerimin e përbërjes së karburanteve të raketave përmes përdorimit të përbërësve të lëngshëm. Raketa e parë luftarake me një motor rakete shtytëse të lëngshme (LPRE) "V -2" përdori një oksidues kriogjenik - oksigjen të lëngshëm dhe një karburant me valë të lartë - alkool etilik.
Pas Luftës së Dytë Botërore, armët raketore morën një përparësi në zhvillim mbi llojet e tjera të armëve për shkak të aftësisë së tyre për të dërguar ngarkesa bërthamore në një objektiv në çdo distancë - nga disa kilometra (sisteme raketash) deri në rreze interkontinentale (raketa balistike). Për më tepër, armët raketore kanë zëvendësuar në mënyrë të konsiderueshme armët e artilerisë në aviacion, mbrojtje ajrore, forca tokësore dhe marinë për shkak të mungesës së forcës së tërheqjes kur lëshoni municion me motorë raketë.
Njëkohësisht me karburantin raketë balistik dhe të lëngshëm, shtytësit e përzier shumë përbërës të zhvilluar si më të përshtatshmet për përdorim ushtarak për shkak të gamës së tyre të gjerë të funksionimit të temperaturës, eliminimit të rrezikut të derdhjes së përbërësve, kostos më të ulët të motorëve të raketave me lëndë të ngurta për shkak të mungesës së tubacionet, valvulat dhe pompat me shtytje më të lartë për njësi të peshës.
Karakteristikat kryesore të karburanteve të raketave
Përveç gjendjes së grumbullimit të përbërësve të tij, karburantet e raketave karakterizohen nga treguesit e mëposhtëm:
- impuls specifik i shtytjes;
- stabiliteti termik;
- stabiliteti kimik;
- toksiciteti biologjik;
- dendësia;
- tymosje.
Impulsi specifik i shtytjes së karburanteve të raketave varet nga presioni dhe temperatura në dhomën e djegies së motorit, si dhe përbërja molekulare e produkteve të djegies. Për më tepër, impulsi specifik varet nga raporti i zgjerimit të hundës së motorit, por kjo lidhet më shumë me mjedisin e jashtëm të teknologjisë së raketave (atmosfera e ajrit ose hapësira e jashtme).
Presioni i shtuar sigurohet përmes përdorimit të materialeve strukturore me forcë të lartë (lidhjet e çelikut për motorët e raketave dhe organoplastika për shtytësit e ngurtë). Në këtë aspekt, motorët e raketave me lëndë djegëse të lëngëta janë përpara shtytësve të fortë për shkak të kompaktësisë së njësisë së tyre shtytëse në krahasim me trupin e një motori me lëndë djegëse të ngurtë, e cila është një dhomë e madhe e djegies.
Temperatura e lartë e produkteve të djegies arrihet duke shtuar alumin alumini ose një përbërës kimik - hidrid alumini në karburantin e ngurtë. Karburantet e lëngëta mund të përdorin aditivë të tillë vetëm nëse ato trashen me aditivë të veçantë. Mbrojtja termike e motorëve të raketave me lëndë djegëse të lëngëta sigurohet nga ftohja me karburant, mbrojtja termike e shtytësve të ngurtë-duke bashkangjitur fort bllokun e karburantit në muret e motorit dhe përdorimin e futjeve të djegies të bëra nga përbërje karboni-karbon në pjesën kritike të hunda
Përbërja molekulare e produkteve të djegies / dekompozimit të karburantit ndikon në shpejtësinë e rrjedhës dhe gjendjen e tyre të grumbullimit në daljen e hundës. Sa më e ulët të jetë pesha e molekulave, aq më e lartë është shkalla e rrjedhës: produktet më të preferuara të djegies janë molekulat e ujit, të ndjekura nga azoti, dioksidi i karbonit, oksidet e klorit dhe halogjenet e tjera; më pak e preferuar është alumina, e cila kondensohet në një lëndë të ngurtë në grykën e motorit, duke zvogëluar kështu vëllimin e gazrave që zgjerohen. Për më tepër, fraksioni i oksidit të aluminit detyron përdorimin e grykave konike për shkak të konsumit gërryes të grykave më efikase parabolike Laval.
Për karburantet raketore ushtarake, qëndrueshmëria e tyre termike ka një rëndësi të veçantë për shkak të gamës së gjerë të temperaturës së funksionimit të teknologjisë së raketave. Prandaj, lëndët djegëse të lëngshme kriogjenike (oksigjen + vajguri dhe oksigjen + hidrogjen) u përdorën vetëm në fazën fillestare të zhvillimit të raketave balistike ndërkontinentale (R-7 dhe Titan), si dhe për automjetet e lëshimit të automjeteve hapësinore të ripërdorshme (Space Shuttle dhe Energia) të destinuara për lëshimin e satelitëve dhe armëve hapësinore në orbitën e tokës së ulët.
Aktualisht, ushtria përdor ekskluzivisht karburant të lëngshëm me valë të lartë të bazuar në tetroksid nitrogjeni (AT, oksidues) dhe dimetilhidrazinë asimetrike (UDMH, karburant). Qëndrueshmëria termike e këtij çifti karburanti përcaktohet nga pika e vlimit të AT (+ 21 ° C), e cila kufizon përdorimin e këtij karburanti nga raketat në kushte të termostatuara në siloset e raketave ICBM dhe SLBM. Për shkak të agresivitetit të përbërësve, teknologjia e prodhimit dhe funksionimit të tyre të tankeve raketore ishte / është në pronësi të vetëm një vendi në botë - BRSS / RF (ICBMs "Voevoda" dhe "Sarmat", SLBMs "Sineva" dhe " Liner "). Si përjashtim, AT + NDMG përdoret si lëndë djegëse për raketat e lundrimit të avionëve Kh-22 Tempest, por për shkak të problemeve me funksionimin në tokë, Kh-22 dhe gjenerata e tyre e ardhshme Kh-32 është planifikuar të zëvendësohet me avion. Raketat e lundrimit Zircon duke përdorur vajguri si lëndë djegëse.
Stabiliteti termik i lëndëve djegëse të ngurta përcaktohet kryesisht nga vetitë përkatëse të tretësit dhe lidhësit polimer. Në përbërjen e karburanteve ballistite, tretësi është nitroglicerina, e cila në një zgjidhje të ngurtë me nitrocelulozë ka një gamë të temperaturës së funksionimit nga minus në plus 50 ° C. Në lëndët djegëse të përziera, goma të ndryshme sintetike me të njëjtën gamë të temperaturës së funksionimit përdoren si lidhës polimer. Sidoqoftë, qëndrueshmëria termike e përbërësve kryesorë të lëndëve djegëse të ngurta (dinitramid amoni + 97 ° C, hidrid alumini + 105 ° C, nitrocelulozë + 160 ° C, perklorat amoniumi dhe HMX + 200 ° C) tejkalon ndjeshëm vetinë e ngjashme të lidhësve të njohur, dhe për këtë arsye është e rëndësishme kërkimi i kompozimeve të tyre të reja.
Çifti më i qëndrueshëm kimikisht i karburantit është AT + UDMG, pasi është zhvilluar për të një teknologji unike vendase e ruajtjes së ampulizuar në rezervuarët e aluminit nën një presion të lehtë të tepërt të azotit. Të gjitha lëndët djegëse të ngurta degradojnë kimikisht me kalimin e kohës për shkak të dekompozimit spontan të polimereve dhe tretësve të tyre teknologjikë, pas së cilës oligomerët hyjnë në reaksione kimike me përbërës të tjerë, më të qëndrueshëm të karburantit. Prandaj, damë të ngurtë shtytës kanë nevojë për zëvendësim të rregullt.
Komponenti biologjikisht toksik i karburanteve të raketave është UDMH, i cili prek sistemin nervor qendror, mukozën e syve dhe traktin tretës të njeriut dhe provokon kancerin. Në këtë drejtim, puna me UDMH kryhet në izolimin e kostumeve të mbrojtjes kimike me përdorimin e aparateve të frymëmarrjes të pavarur.
Vlera e dendësisë së karburantit ndikon drejtpërdrejt në masën e rezervuarëve të karburantit LPRE dhe trupin e raketës me lëndë djegëse të ngurta: sa më i lartë dendësia, aq më pak masa parazitare e raketës. Dendësia më e ulët e çiftit karburant hidrogjen + oksigjen është 0.34 g / cu. cm, një palë vajguri + oksigjen ka një densitet prej 1.09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocelulozë + nitroglicerinë - 1.62 g / cu. cm, alumin / hidrid alumini + perchlorate / dinitramide amoni - 1.7 g / cc, HMX + perchlorate amonium - 1.9 g / cc. Në këtë rast, duhet të kihet parasysh se motori raketë me lëndë djegëse të ngurtë me djegie boshtore, dendësia e ngarkesës së karburantit është afërsisht dy herë më pak se dendësia e karburantit për shkak të pjesës në formë ylli të kanalit të djegies, të përdorur për të mbajtur një presion konstant në dhomën e djegies, pavarësisht nga shkalla e djegies së karburantit. E njëjta gjë vlen edhe për lëndët djegëse balistike, të cilat formohen si një grup rripash ose shkopinjsh për të shkurtuar kohën e djegies dhe distancën e nxitimit të raketave dhe raketave. Në kontrast me to, dendësia e ngarkesës së karburantit në motorët raketë me lëndë djegëse të ngurta të djegies përfundimtare bazuar në HMX përkon me densitetin maksimal të treguar për të.
E fundit nga karakteristikat kryesore të karburanteve të raketave është tymi i produkteve të djegies, duke demaskuar vizualisht fluturimin e raketave dhe raketave. Kjo veçori është e natyrshme në lëndët djegëse të ngurta që përmbajnë alumin, oksidet e të cilave janë kondensuar në një gjendje të ngurtë gjatë zgjerimit në hundën e motorit të raketës. Prandaj, këto lëndë djegëse përdoren në shtytësit e ngurtë të raketave balistike, pjesa aktive e trajektores së së cilës është jashtë vëzhgimit të armikut. Raketat e avionëve ushqehen me karburant HMX dhe amonium perchlorate, raketa, granata dhe raketa anti -tank - me karburant balistik.
Energjia e karburanteve të raketave
Për të krahasuar aftësitë energjetike të llojeve të ndryshme të karburantit të raketave, është e nevojshme të vendosni kushte të krahasueshme të djegies për ta në formën e presionit në dhomën e djegies dhe raportin e zgjerimit të hundës së motorit të raketës - për shembull, 150 atmosfera dhe 300 -fish zgjerimi. Pastaj, për çiftet / treshet e karburantit, impulsi specifik do të jetë:
oksigjen + hidrogjen - 4.4 km / s;
oksigjen + vajguri - 3.4 km / s;
AT + NDMG - 3.3 km / s;
dinitramid amoni + hidrid hidrogjeni + HMX - 3.2 km / s;
perklorat amoni + alumin + HMX - 3.1 km / s;
perklorat amoni + HMX - 2.9 km / s;
nitrocelulozë + nitroglicerinë - 2.5 km / s.
Karburanti i ngurtë i bazuar në dinitramid amoni është një zhvillim i brendshëm i fundit të viteve 1980, ai u përdor si lëndë djegëse për fazën e dytë dhe të tretë të raketave RT-23 UTTKh dhe R-39 dhe ende nuk është tejkaluar në karakteristikat e energjisë nga mostrat më të mira të karburantit të huaj bazuar në perkloratin e amonit.përdorur në raketat Minuteman-3 dhe Trident-2. Dinitramidi i amonit është një eksploziv që shpërthen edhe nga rrezatimi i dritës; prandaj, prodhimi i tij kryhet në dhoma të ndriçuara nga llamba të kuqe me fuqi të ulët. Vështirësitë teknologjike nuk lejuan të zotëronin procesin e prodhimit të karburantit të raketave në bazë të tij kudo në botë, përveç në BRSS. Një gjë tjetër është se teknologjia sovjetike u zbatua në mënyrë rutinore vetëm në uzinën kimike Pavlograd, e vendosur në rajonin Dnepropetrovsk të SSR të Ukrainës, dhe humbi në vitet 1990 pasi uzina u konvertua për të prodhuar kimikate shtëpiake. Sidoqoftë, duke gjykuar nga karakteristikat taktike dhe teknike të armëve premtuese të tipit RS-26 "Rubezh", teknologjia u rivendos në Rusi në vitet 2010.
Një shembull i një përbërje shumë efektive është përbërja e karburantit të ngurtë të raketës nga patenta ruse Nr. 2241693, në pronësi të Uzinës Federale Shtetërore të Ndërmarrjeve Perm të emëruar pas CM Kirov :
agjent oksidues - dinitramid amoniumi, 58%;
karburant - hidrid alumini, 27%;
plastifikues - nitroizobutiltrinitrateglicerinë, 11, 25%;
lidhës - gome polibutadien nitrile, 2, 25%;
forcues - squfur, 1.49%;
stabilizues i djegies - alumini ultrafine, 0.01%;
aditivë - karbon i zi, lecithin, etj.
Perspektivat për zhvillimin e karburanteve të raketave
Drejtimet kryesore për zhvillimin e lëndëve djegëse të lëngshme të raketave janë (sipas rendit të përparësisë së zbatimit):
- përdorimi i oksigjenit të ftohur në mënyrë që të rritet dendësia e oksiduesit;
- kalimi në një avull karburanti oksigjen + metan, përbërësi i djegshëm i të cilit ka 15% energji më të lartë dhe 6 herë kapacitet më të mirë të nxehtësisë se vajguri, duke marrë parasysh faktin se rezervuarët e aluminit janë ngurtësuar në temperaturën e metanit të lëngshëm;
- shtimi i ozonit në përbërjen e oksigjenit në nivelin 24% në mënyrë që të rritet pika e vlimit dhe energjia e oksiduesit (një pjesë e madhe e ozonit është shpërthyese);
- përdorimi i karburantit thiksotropik (të trashur), përbërësit e të cilit përmbajnë pezullime të pentaboranit, pentafluoridit, metaleve ose hidrideve të tyre.
Oksigjeni i ftohur tashmë është duke u përdorur në automjetin e lëshimit Falcon 9; motorët e raketave me oksigjen + metan po zhvillohen në Rusi dhe Shtetet e Bashkuara.
Drejtimi kryesor në zhvillimin e lëndëve djegëse të ngurta të raketave është kalimi në lidhës aktivë që përmbajnë oksigjen në molekulat e tyre, gjë që përmirëson ekuilibrin e oksidimit të shtytësve të ngurtë në tërësi. Një mostër moderne shtëpiake e një lidhësi të tillë është përbërja polimer "Nika-M", e cila përfshin grupe ciklike të dioksidit dinitrile dhe polietheruretan butylenediol, të zhvilluar nga Instituti Shtetëror i Kërkimeve "Kristall" (Dzerzhinsk).
Një drejtim tjetër premtues është zgjerimi i gamës së eksplozivëve të përdorur nitraminë, të cilët kanë një ekuilibër më të lartë oksigjeni në krahasim me HMX (minus 22%). Para së gjithash, këto janë heksanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, bilanci i oksigjenit minus 10%) dhe oktanitrokubani (balanca zero e oksigjenit), perspektivat për të cilat varen nga ulja e kostos së prodhimit të tyre-aktualisht Cl-20 është një urdhër i madhësisë më i shtrenjtë sesa HMX, oktonitrokubani është një rend i madhësisë më i shtrenjtë se Cl -njëzet.
Përveç përmirësimit të llojeve të njohura të përbërësve, hulumtimi po kryhet gjithashtu në drejtim të krijimit të përbërjeve polimer, molekulat e të cilave përbëhen ekskluzivisht nga atomet e azotit të lidhura me lidhje të vetme. Si rezultat i dekompozimit të një përbërësi polimer nën veprimin e ngrohjes, azoti formon molekula të thjeshta të dy atomeve të lidhura me një lidhje të trefishtë. Energjia e lëshuar në këtë rast është dyfishi i energjisë së eksplozivëve të nitraminës. Për herë të parë, komponimet e azotit me një grilë kristali të ngjashme me diamantin u morën nga shkencëtarët rusë dhe gjermanë në 2009 gjatë eksperimenteve në një fabrikë të përbashkët pilot nën veprimin e një presioni prej 1 milion atmosferash dhe një temperaturë prej 1725 ° C. Aktualisht, po punohet për të arritur gjendjen metastabile të polimereve të azotit në presion dhe temperaturë të zakonshme.
Oksidet më të larta të azotit janë komponime kimike premtuese që përmbajnë oksigjen. Oksidi nitrik i mirënjohur V (një molekulë e sheshtë e të cilit përbëhet nga dy atome azoti dhe pesë atome oksigjeni) nuk ka asnjë vlerë praktike si një përbërës i karburantit të ngurtë për shkak të pikës së tij të ulët të shkrirjes (32 ° C). Hetimet në këtë drejtim kryhen duke kërkuar një metodë për sintezën e oksidit nitrik VI (heksaoksidi tetra-nitrogjen), molekula kornizë e së cilës ka formën e një katërkëndëshi, në kulmet e të cilit janë të lidhura katër atome nitrogjeni. gjashtë atome oksigjeni të vendosura në skajet e katërkëndëshit. Mbyllja e plotë e lidhjeve ndërratomike në molekulën e oksidit nitrik VI bën të mundur parashikimin për të të qëndrueshmërisë termike, të ngjashme me atë të urotropinës. Bilanci i oksigjenit i oksidit nitrik VI (plus 63%) bën të mundur që të rritet ndjeshëm graviteti specifik i përbërësve të tillë me energji të lartë si metalet, hidridet e metaleve, nitraminat dhe polimeret hidrokarbure në lëndën djegëse të ngurtë të raketës.
