Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П. Глушко “Жидкое топливо для реактивных двигателей”, изданную в 1936 г. Да-да, в СССР к делу подходили обстоятельно.

Для любых химических (окислительных) двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное. Это так и для реактивных двигателей.

Ракетчики в поисках компромисса между технической надежностью двигателя и высокой удельной мощностью каких только сочетаний топлива и окислителя не перепробовали. При этом однокомпонентные топлива (то есть горящие сами по себе, без использования окислителя – как, например, порох) оказались не слишком эффективными, зато удобными для использования. Поэтому в твердотопливных ракетах они сейчас и используются.

Но в ЖРД (жидкостном реактивном двигателе) топливо используется жидкое или газообразное, и это топливо практически всегда “двухкомпонентное” – то есть отдельно собственно топливо, и отдельно окислитель для него.

Кроме “энергетических” требований (выделение максимальной энергии при окислении на единицу массы топлива и окислителя) ракетное топливо и окислитель должны иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях ракет, т.к. они самые объёмные и используют мощнейшие двигатели, с большим секундным расходом топлива и окислителя – например, ракетный двигатель F1 ракеты Сатурн-5 потребляет 5 тонн топлива и окислителя В СЕКУНДУ. Просто представьте себе этот поток, и подумайте – как можно было бы прокачать такие количества, например, газообразного метана? Нет, технически и это возможно – но насос будет в несколько раз больше самого двигателя.

А размер баков? Топливная пара “жидкий водород – жидкий кислород” очень эффективна с точки зрения энергетики, экологична, но вот беда – водород даже сжиженный очень неплотный, а ведь тяга реактивного двигателя достигается за счет выброса МАССЫ топлива и окислителя, и эту массу ракета тащит на себе. Чем больше размеры баков – тем больше паразитная масса конструкции и сопротивление движению ракеты в воздухе (а ведь ракете приходится разгоняться еще в атмосфере).

Поэтому выгодно использовать топливо поплотнее.

Вдобавок для топливных компонентов большое значение имеет давление насыщенных паров (это, грубо говоря, давление, при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков. Поэтому топлива разделяются на высококипящие (например, гидразин), низкокипящие (например, пропан) и криогенные (например, тот же водород).

Кроме того, топливо (и реже окислитель) еще и используются для охлаждения камеры сгорания ЖРД – и они должны быть эффективны в таком качестве.

Вернер фон Баун был, конечно, гений – и потому топливом для его Фау-2 служили этиловый спирт и жидкий кислород. Причем этиловый спирт был выбран именно потому, что он хорош в качестве охладителя – он закипает в охлаждающей рубашке ЖРД и подается в камеру сгорания уже в виде паров, и этот вот фазовый переход эффективно отбирает тепло от стенок камеры сгорания.

Затем советские конструкторы вполне логично заменили спирт на более плотный и энергетически выгодный керосин. И вот на этой паре “керосин + кислород” СССР в космос и летал – и спутник на ней запустили, и Гагарина, и всё остальное.

Сейчас с керосина ракеты переводят на так называемый “нафтил”. Топливо нафтил вместо керосина впервые использовали в ноябре 2017 года — при старте “Союза-2” с Восточного, тогда им заправили третью ступень ракеты. И вот вчера ракета-носитель «Союз-2.1б» с тремя спутниками «Гонец-М» и аппаратом «Скиф-Д», запущенным по программе «Сфера», стартовала с космодрома Восточный – полностью на нафтиле. Это первый пуск ракеты “Союз” с нафтиловым горючим на первой ступени.

Нафтил внешне и по физическим свойствам очень похож на керосин. Но он лучше с точки зрения ракетного топлива.

Дело в том, что керосин при сжигании оставляет нагар на элементах двигателя, подверженных прямому воздействию продуктов горения. Из-за чего снижается возможность отвода тепла и, соответственно, ухудшается работа двигателя. Другая претензия к керосину была связана с тем, что его удельный импульс ниже, чем, например, у метана или водорода.

Так вот, удельный импульс нафтила прилично выше, чем у керосина (хотя и всё еще несколько ниже, чем у метана). При этом использование нафтила не требует никаких переделок в инфраструктуре обслуживания и заправки ракеты (пришлось лишь промыть цистерны, насосы и трубопроводы от остатков керосина), не требует существенных изменений конструкции ракеты, а адаптация керосиновых ЖРД к нафтилу достаточно проста.

Специальное топливо “нафтил” выпускает Ангарская нефтехимическая компания (дочка Роснефти), которая является единственным производителем нафтила в мире. Использовать нафтил как компонент топлива «Роскосмос» начал не только в ракетах «Союз-2», но и в ракетах типа «Ангара». Ракетный керосин Т-1 теперь полностью выведен из эксплуатации в России.

Вообще говоря, Нафтил (РГ-1) был разработан для использования на ракетах “Зенит”. Но поскольку “зенитом” занимались хохлы – они благополучно саботировали внедрение нового топлива.

А вот в Роскосмосе, когда стали думать, как улучшить характеристики имеющихся ракет и двигателей – о Нафтиле вспомнили. Перейти на него гораздо проще, чем отработать двигатели на сжиженном метане (хотя и по этому направлению работы ведутся).

Состав Нафтила в принципе засекречен, но в целом это, если говорить грубо – особой перегонки керосин/газойль с полимерными присадками. От керосина Т-1 нафтил отличается относительно меньшим содержанием ароматических соединений и большим — нафтенов (насыщенные алициклические углеводороды – например, циклопентан, циклогексан и метилциклогексан).

Ключевое отличие между нафтенами и ароматическими соединениями заключается в том, что нафтены имеют только одинарные связи между атомами углерода, тогда как ароматические соединения имеют как одинарные связи, так и двойные связи между атомами углерода. До сих пор считалось, что нафтены не особо хороши как горючее – у них относительно высокая температура вспышки, и при окислении кислородом они образуют кислоты. Но на этом и сыграли – температуры в камере сгорания ЖРД хватает на что угодно, даже на расщепление воды на кислород и водород, а получающаяся из расщепленного нафтена кислота тут же используется для окисления ароматических углеводородов керосина. Короче говоря, подобрали такой состав, который горит практически без образования нагара и обеспечивает еще более высокую температуру.

Древние еще “королёвские” моторы РД-107 и РД-108 удалось без особых проблем приспособить для работы на нафтиле, их тяга и удельный импульс существенно выросли.

Двигатель РД-171 (используемый на ракете Зенит-3) в теории уже исходно был предназначен для работы на нафтиле. Потом про это как бы забыли – но сейчас к нафтилу вернулись, и двигатель РД-171МВ (РД-171М) с улучшенными характеристиками это как раз и есть нафтиловый двигатель. Этот двигатель предполагается для использования в первой ступени новой ракеты-носителя среднего класса «Союз-5» и в первой же ступени будущей сверхтяжелой ракеты.

А теперь кое-что для любопытных товарищей, об однокомпонентном топливе.

Внезапно для многих, такое топливо существует не только для твердотопливных ракет, но и для ЖРД. Более того – оно активно применяется.

Например, в качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки вспомогательных однокомпонентных двигателей (для ИСЗ, КА и КК) использовалась высококонцентрированная (80 … 95%) перекись водорода. В настоящее время такие вспомогательные двигательные установки применяют лишь в системах ориентации ступеней некоторых японских РН, потому что японцы технически отсталые – но между тем схема вполне рабочая.

У остальных стран, более технически развитых, во вспомогательных однокомпонентных ЖРД перекись водорода вытеснена гидразином, при этом обеспечено увеличение удельного импульса примерно на 30%. Проблема с гидразином ровно одна – в виде однокомпонентного топлива он сам по себе гореть отказывается, для него нужен катализатор горения. Катализаторы для гидразина известны давно – но у них было плохо с ресурсом. Вот как только нашлись высокоресурсные катализаторы (первыми это сделали американцы в 1964 году, это катализатор Шелл-405, представляющий из себя иридий, нанесенный на пористые гранулы окиси алюминия) – так сразу гидразин и заплясал. Гидразиновые моторы в качестве вспомогательных используют до сих пор.

До нахождения этого катализатора гидразин также активно применялся в двухкомпонентных ЖРД. Как и перекись водорода, кстати. Вот для примера британский ЖРД Bristol Siddeley BSSt.1 Stentor – двухкомпонентный ЖРД на паре перекись водорода + керосин:

Перекись водорода с керосином до сих пор применятеся в парогенераторах торпед – равно как и гидразин с катализаторным разложением. Продукты сгорания подаются на парогазовую турбину, либо даже в поршневой двигатель внешнего сгорания. Да-да, торпедисты те еще выдумщики.

В СССР широко применялась топливная пара НДМГ (несимметричный диметилгидразин) + азотная кислота.

На другом полюсе от однокомпонентных конструкций ЖРД лежит совсем экзотика – трехкомпонентные ЖРД. Это настоящий изврат.

ЖРД на трехкомпонентном топливе (фтор+водород+литий) разрабатывался в ОКБ-456. Надеюсь, всем очевидно, почему это дерьмо не взлетело? Как и двухкомпонентные ЖРД на пентаборане.

Однако на сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по удельному импульсу на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива. Ракетчики-двигателисты в тупике.