Propulsor criogenic - cu punct de fierbere scăzut [com. 1] combustibil lichid pentru rachetă , cel puțin una dintre componentele ( oxidant , combustibil ) este criogenic , adică se află la o temperatură sub 120 K (−153,15 °C ) [2] . Componentele combustibilului criogenic includ gaze lichefiate: oxigen , hidrogen , fluor și altele. Opusul criogenicului sunt componentele cu punct de fierbere ridicat, adică cele care pot fi folosite la temperaturi peste 298 K (24,85 °C) [1] .
Componentele combustibilului criogenic sunt gaze lichefiate cu un punct de fierbere sub 120 K. Cea mai comună componentă criogenică este oxigenul lichid utilizat ca oxidant în rachetele spațiale [3] . Împreună cu oxigenul, pot fi folosite diverse tipuri de combustibil. Pe rachetele moderne, acestea sunt diferite soiuri de kerosen , precum și combustibili criogenici, în principal hidrogen [4] . Sunt dezvoltate și testate motoare care utilizează metan lichefiat [5] [6] și gaz natural (GNL) [7] drept combustibil . Fluorul lichefiat și ozonul au fost considerați și oxidanți criogenici , dar, în ciuda eficienței ridicate așteptate, nu și-au găsit aplicații practice din cauza dificultății de manipulare, a explozivității ridicate, a agresivității chimice extreme și a toxicității [8] .
Hidrogenul lichid ca combustibil și oxigenul lichid ca agent oxidant fac posibilă obținerea eficienței maxime dintre combustibilii disponibili [9] , această combinație, ca dând cel mai mare debit de gaz în timpul arderii, a fost propusă de K. E. Tsiolkovsky ca „combustibil de referință”. pereche”, cu care a comparat alte variante posibile de combustibil pentru rachete. Ulterior, ținând cont și de comoditatea funcționării diverșilor combustibili, Tsiolkovsky a propus înlocuirea hidrogenului cu hidrocarburi cu cel mai mare conținut posibil de hidrogen în moleculă [10] . Hidrogenul lichid are o densitate scăzută, ceea ce necesită crearea unor rezervoare mari de combustibil, complică și cântărește proiectarea rachetei și reduce perfecțiunea masei acesteia [com. 2] [12] . Pentru a crește densitatea combustibilului și a reduce pierderile prin evaporare în tehnologia modernă a rachetei, hidrogenul de zgură este utilizat răcit la o temperatură de 14 K, adică este într-o stare în care atât faza lichidă, cât și cea solidă sunt prezente sub formă de suspensie grosieră . 13] .
Procesele de lichefiere a gazelor s-au îmbunătățit în ultimele decenii odată cu apariția unor echipamente mai bune și a controlului pierderilor de căldură în sistem. Metodele tipice profită de temperatura gazului, care se răcește rapid atunci când presiunea controlată a gazului este eliberată. Presurizarea suficientă și depresurizarea ulterioară pot lichefia majoritatea gazelor, așa cum este ilustrat de efectul Joule-Thomson [14] .
Deși lichefierea gazelor naturale pentru stocare, transport și utilizare este destul de eficientă din punct de vedere al costurilor, aproximativ 10 până la 15% din gaz este consumat în timpul acestui proces [15] . Procesul optim include patru etape de răcire cu propan și două etape de răcire cu etilenă. Se poate adăuga o treaptă suplimentară de agent frigorific , dar costul suplimentar al echipamentelor aferente nu este justificat din punct de vedere economic [16] .
Componentele criogenice fac posibilă obținerea celor mai mari valori ale impulsului specific dintre propulsorii chimici disponibili, motiv pentru care sunt utilizate pe scară largă în vehiculele de lansare spațială [3] . În același timp, componentele criogenice utilizate (oxigen, hidrogen, metan) sunt netoxice și, în caz de scurgeri, provoacă mult mai puține daune mediului decât oxidanții cu punct de fierbere ridicat pe bază de acid azotic și tetroxid de dinazot și varietăți de combustibil pentru rachete pe bază de derivați de hidrazină [17] .
În același timp, componentele criogenice sunt greu de exploatat; din cauza pierderilor mari prin evaporare, acestea nu pot fi transportate și depozitate fără a se lua măsuri speciale și în afara containerelor și a instalațiilor de depozitare special concepute și complexe [18] [19] . Rachetele care folosesc componente propulsoare criogenice nu pot fi alimentate mult timp și, în cazul unei întârzieri la lansare, necesită reumplerea continuă a rezervoarelor sau anularea lansării cu scurgerea combustibilului [20] . La vehiculele spațiale, unde este imposibil să se organizeze gradul necesar de izolare termică din cauza limitărilor de masă, utilizarea componentelor criogenice este, de asemenea, limitată. În plus, temperaturile scăzute la care componentele criogenice trebuie păstrate necesită o alegere specială a materialelor și proiectarea rezervoarelor de combustibil și a motoarelor [3] .
Rachete experimentale cu combustibil lichid create în anii 1920 - 1930 de R. Goddard în SUA , Societatea de Comunicații Interplanetare(VfR) în Germania , Jet Propulsion Study Group din URSS a folosit oxigen lichid ca agent oxidant în combinație cu hidrocarburi ușoare și alte tipuri de combustibil. În același timp, grupurile lui L. Crocco din Italia și V. P. Glushko din Laboratorul de dinamică a gazelor din Leningrad au experimentat cu combustibili cu punct de fierbere ridicat folosind tetroxid de azot și acid azotic ca oxidant [21] .
La prima rachetă balistică cu rază lungă de acțiune " A-4 " ("V-2"), dezvoltată de Wernher von Braun și adoptată în Germania la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial , oxidantul era oxigen lichid, iar combustibilul era 75 % alcool etilic .care a permis, cu o uşoară scădere a randamentului faţă de combustibilii hidrocarburi, reducerea temperaturii în camera de ardere, simplificarea proiectării motorului şi creşterea timpului de funcţionare al acestuia [21] . Perechea de combustibil „oxigen lichid - alcool etilic” a fost folosită și pe rachetele postbelice create în URSS și SUA, precum „ R-1 ”, „ R-2 ”, „ R-5 ” [22] , ” Viking ", " Redstone ", avion rachetă " X-1 " și altele [4] . Primele rachete intercontinentale sovietice și americane (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") și rachete americane cu rază medie de acțiune (" Tor ", " Jupiter ") au folosit de asemenea oxigen lichid ca un oxidant asociat cu kerosen ca combustibil, cu toate acestea, complexitatea manipulării componentelor criogenice și timpul lung de pregătire înainte de lansare au dus la faptul că combustibilii cu punct de fierbere ridicat și mai târziu au început să fie utilizați pe rachetele de luptă [22] [23 ]. ] .
Datorită eficienței lor ridicate, combustibilii criogenici sunt utilizați pe scară largă în rachetele spațiale, făcând posibilă creșterea masei sarcinii utile sau reducerea masei și dimensiunilor purtătoarei [3] . Prima rachetă intercontinentală sovietică R-7, care folosea oxigen lichid ca oxidant, a fost scoasă din funcțiune la sfârșitul anilor 1960, dar complexele spațiale bazate pe aceasta funcționează încă în secolul XXI [24] . Următoarele generații de rachete Atlas , deja special concepute ca transportoare spațiale, folosesc și oxigen lichid, precum N-1 , Saturn , Zenit , Falcon , Angara și altele. Oxigenul lichid este utilizat și în etapele superioare ale familiei „ DM ”, ceea ce face posibilă reducerea numărului de incluziuni și obținerea unei precizii ridicate la lansarea navelor spațiale [25] .
Utilizarea perechii de combustibil „oxigen lichid - hidrogen lichid”, în ciuda multor dificultăți tehnice, oferă mari avantaje atunci când este utilizată pe rachete de clasă grea . Această pereche a fost folosită pe treptele superioare ale rachetelor familiei Saturn, sistemul navetei spațiale , este folosită pe transportoarele Ariane-5 , Delta-4 , H-IIA , CentaurscenaChangzhengrachetele familiei Singura rachetă sovietică cu oxigen-hidrogen care a zburat a fost super-grea Energia [26 ] . S-a anunțat dezvoltarea unei etape superioare KVTK oxigen-hidrogen pentru purtătorul Angara [27] .