На чём летают ракеты

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.

Материал: Proper специально для Topru.Org
Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем Proper на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@newru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.
Поблагодарите автора - поддержите его материально:

Дочитал до конца? Жми кнопку!

Вам может понравиться...

35 Комментарий
старые
новые
Встроенные Обратные Связи
Все комментарии
Henren
Henren
1 месяц назад

Азотная кислота не применяется, применяется азотный тетраоксид. Топливо на пентаборане очень хорошо, применялось в эксперименте на РД-270. Однако чрезвычайно токсично и опасно.

Ванёк26
Ванёк26
1 месяц назад

Спасибо, очень интересно и познавательно.

Iturup73
Iturup73
1 месяц назад

да люди вообще существа тормозные-несколько десятков тысяч лет додумывались до того что ехать на лошади гораздо приятнее чем ходить пешком,после этого пару тысяч лет додумывались что еще приятнее и практичнее привязать к лошади тачку или сани и ехать лежа.пару тысяч лет ушло на то что бы понять-лошадь это морока-корми,пои,она болеет и может сдохнуть от тоски и пришлось придумать паровой двигатель из которого вытек двигло внутреннего сгорания-удивительно что для этого ушло не тысяч пять лет-свезло просто,маск вот прорыв сделал в электромобилях,но те кто учил физику в ссср знают что электромобиль поехал как бы не раньше паровоза,уж раньше мерседеса-точно,с ракетами вот засада-ракету люди юзают с тыщу лет уже,даже в древности ,ходят слухи,некоторые безбашенные китайцы пробовали оседлать ракеты аки лошадь-но походу не выжили и топчутся люди с ракетами в одной паре без изменений-любая современная ракета -это в принципе тоже самое как и то чем китайцы обстреливали чингисхана-тупик это все,нужно что то новое,а с прорывами у человеков не густо в последнее время-как диод с транзистором изобрели с тех пор ничего нового не было

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  Iturup73
1 месяц назад

Да, создание релюшек на базе p-n перехода это было круто.

Ванёк26
Ванёк26
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Убил нах

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  Ванёк26
1 месяц назад

Ачотакова?
Транзистор и есть релюха. Только вместо катушки — кусок недокварца. А сама схемотехника как была релейной — так и осталась.

bib_l
bib_l
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Не, там вроде триггер (схема такая) или тиристор (железяка) я даже когда-то сдавал и даже знал…
Чё тока не сдавал вплоть до макулатуры и металлолома, однако прибыль приносит только сдача посуды. Такова жись… Сложная.

Ванёк26
Ванёк26
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Все таки нет.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  Ванёк26
1 месяц назад

Шо нет?

Ванёк26
Ванёк26
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Всйо нет. Там чуток инначе.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Развитие же шло ступенями — от реле с катушкой к лампе, а от неё — к п/п. Но принцип всё тот же самый.
Что в лампе мы подавали управляющий сигнал на сетку, что в п/п мы подаём управляющий на переход.
Всё то же самое реле.

bib_l
bib_l
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Ну какие ступенЯ? Бинарная логика — да/нет. И далее железо — тебя щас дубиной? Кивни троглодитттт!
Хотя у дам да/нет/быть может…Шарман.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  bib_l
1 месяц назад

Ты с кем там?

bib_l
bib_l
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

«Тихо сам с собоЮЮЮЮ»
Просто развлекло Ваше «Да, создание релюшек на базе p-n перехода это было круто».
Спасибо!

bib_l
bib_l
для  Proper
1 месяц назад

Вы будете смеяться — я даже предмет «Аналоговые вычислительные машины» сдавал. Правда уже почти ничего не помню, очень эффективны в моделировании тех. процессов, якобы. А потом пришла цифра и точности стало немаЕ, поначалу.

zhevak
zhevak
для  bib_l
1 месяц назад

Ага. Один из самых коротких (по теорчасам) предметов был. Но особенно нравились лабораторки, потому-что на этих лабораторках по пальцам анодным било знатно.

Мы — неотесанные кони, ржали над получившим очередной приз «электриком». А когда по пальцам получали деффки, они обычно резко взвизгивали, а не матерились. Но мы всё равно тоже ржали. А потом они просили нас переставить на АВМ кондюк/резистор или проводок. Мы обычно им помогали… Романтика!

bib_l
bib_l
для  zhevak
1 месяц назад

Во-во! Правда исходные данные замучишься считать, впрочем тогда недавно сдатые дифуры и урматфизЫ с потыканным носом в практическое применение + методичка очень даже помогали. Ну загадочные шкафы с непонятным содержимым, небольшие правда (ну далеко не ЕС-ки явно)! Я так и не понял где кончается машина и начинается интерфейс (промежмордие) задачи.

bib_l
bib_l
для  zhevak
1 месяц назад

Ах да. Анодное, будучи вЬюным техником много возился с телевизорами (тогда за сдатый ч/б тиливизор давали цветной — сдатый давали на станцию ЮТ под разбор — ну ремонтировали мы их). Я и до этого встав перед антенной аппарата движениями руков и ногов вызывал смещениее развёртки, ну а получив анодным неоднократоно — вААще. Может я теЛенатором стал? С улучшением стабильности TV эффект пропал (или чб кончились). Загадка… Но это так, дурь вслух

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  bib_l
1 месяц назад

Просто почему то все© впёрлись в такое качество этих хреновин как усиление сигнала, тогда как главное их предназначение не в этом, а в том что собственно и делает их релюхами — пропускать сигнал после подачи управляющего импульса.
А усиление это так — приятный бонус который породил отдельные направления в построении этих приборов.
Как только ты начнёшь смотреть на главное предназначение этих электронных реле, сиречь на коммутацию и маршрутизацию сигналов, то тебе со всей очевидностью станет понятно чем являются эти приборы.

Николай Соколов
Николай Соколов
для  Iturup73
1 месяц назад

Дык все технологии передали инопланетяне, типа Прометея, а потом свалили с планете, вот счас и огребаем гуано.

Iturup73
Iturup73
для  Николай Соколов
1 месяц назад

нее-это лантийцы технологии передали а потом свалили в галактику пегас где их благополучно рэйфы пожрали,но бутте спокойны-им там сейчас шепард занимается

Anunah
Anunah
для  Iturup73
1 месяц назад

шепард из дэд

bib_l
bib_l
для  Iturup73
1 месяц назад

«…с тех пор ничего нового не было» простите, но это вроде прошлый век, щас у нас «Зелёная революция» вроде, или я ошибаюсь? Вон генетическую войну развязывают, тока пока как-то по всем лупят. Впрочем «Всё врут календари». Да…

Hmm4
Hmm4
1 месяц назад

Немножко дополню (не знаю, насколько соответствует действительности, но… ладно):
Керосин марки Т-1, применяющийся в ракетных двигателях, производился исключительно на Краснодарском НПЗ и только из сырья Анастасиевско-Троицкого месторождения, расположенного в Краснодарском крае. Нефть с этого месторождения считается стратегической, но оно истощилось.

ironback
ironback
1 месяц назад

Вывод такой — реактивные двигатели на химическом топливе подошли к пределу совершенства. Дальнейшее их усовершенствование даст прирост эффективности в считанные проценты.

bib_l
bib_l
для  ironback
1 месяц назад

Ну как бы сказать, чтобы не сильно обидеть. РД при текущем процессе горения — наверное близко к Вашему высказыванию, да.
Но ещё в прошлом веке появились технические возможности обеспечить «детонационное сгорание компонентов топлива». Ну и вот. Как в том анекдоте — «перспективы открываются безграничные».

bib_l
bib_l
для  Proper
1 месяц назад

А собственно никто и не говорит о конкуренции с ядрёным приводом. Просто 2500 с и 25000 с разница в удельном импульсе всё-таки немножко значима, старт с планеты на ядрёной бомбе как-то странно выглядит, нет?
И хим и ядерный привод никак не пересекаются.
Ну это я так думаю. (с)

Hmm4
Hmm4
для  bib_l
1 месяц назад

Зачем на бомбе? Реактор на открытой ловушке (если с одной стороны её действительно открыть) даст просто эпическую тягу.

bib_l
bib_l
для  Hmm4
1 месяц назад

Простите, но я как вспомню о Протоне и перевёрнутом датчике, таки за тягу мИне становится неинтересно, от слова совсем. Свежий напалм по утрам хотя бы пахнет, а так сидишь не шалишь никАво не трогаешь, починяешь… А у тебя уХи отваливаются. Пичалька…

Hmm4
Hmm4
для  bib_l
1 месяц назад

Ну если ты папуас с Ванатуту (или какой- другой микорНезии), из окрестностей которых сии девайсы и будут запускаться, то… Никого твои ухи не волнуют. :)

bib_l
bib_l
для  Hmm4
1 месяц назад

Есть такая штука ветер называется, хуже того по слухам если забраться повыше — он там вообще офигенной силы. Ещё есть всяко-разные переносы масс в меридиональной плоскости — не знаю как называется. И самое гнусное — промышленная цивилизация и массовое производство всякой гадости типа ядрёных ракет выводящих каждый божий день оФигеард тонн грузов на НОО.
И я чё-то стремаюсь и вот то что это никого не волнует больше всего меня и пугает. Аж зеленею, хоть это и звучит достаточно похабно.
С другой стороны «Какие у Вас планы на это тысячелетие — Хорошо полежать в гробу!»(с).

Kokunov
Kokunov
1 месяц назад

Чем интересно пропан не угодил?
С ним сильно проще, чем с метаном…

Kokunov
Kokunov
1 месяц назад

ДА, кстати:
Ученые обнаружили в Ковдорском районе суперкрупное редкометалльное месторождение
https://www.hibiny.com/news/archive/275990/

7c349b79b5855178d9089db1da371bb0.png
Чтобы добавить комментарий, надо залогиниться.