Combustibil pentru racheta

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 20 februarie 2020; verificările necesită 33 de modificări .

Combustibil pentru rachete  - substanțe utilizate în motoarele de rachete de diferite modele pentru a obține forța și accelerarea rachetei prin energia unei reacții chimice ( combustie ).

Propulsorul nu trebuie confundat cu fluidul de lucru al motoarelor de rachetă nechimice, cum ar fi nucleare sau electrice .

Concept

Combustibilul pentru rachetă este unul sau mai multe materiale de înaltă energie utilizate pentru a alimenta un motor de rachetă pentru a crea tracțiune . Odată cu dezvoltarea tehnologiei rachetelor vine și dezvoltarea de noi tipuri de motoare de rachete, de exemplu, motoarele de rachete nucleare . Combustibilul pentru rachete poate fi chimic (lichid și solid), nuclear , termonuclear.

Propulsorul chimic lichid este format din două componente: oxidant și combustibil , care se află în rachetă în stare lichidă în diferite rezervoare . Amestecarea lor are loc în camera de ardere a unui motor rachetă cu combustibil lichid , de obicei prin intermediul injectoarelor . Presiunea componentelor combustibilului este creată de funcționarea unei turbopompe sau a unui sistem de deplasare, care poate implica și componente ale perechii de combustibil. În plus, componentele de propulsie sunt folosite pentru a răci duza unui motor de rachetă cu propulsor lichid . Propelenții lichizi sunt împărțiți în cei cu punct de fierbere ridicat, adică cei care se află în stare lichidă la temperaturi de peste 298 K (24,85 °C ) și cei cu punct de fierbere scăzut, care trebuie să fie răciți sub 298K pentru depozitare și utilizare [1] . Combustibilii cu punct de fierbere scăzut, cel puțin unul dintre componentele cărora trebuie să fie la o temperatură sub 120K (−153,15 °C) se numesc criogenici [2] .

Se mai folosesc așa-numitele monopropulsante rachete, în care aceeași substanță este atât agentul de oxidare, cât și agentul reducător . Când un motor de rachetă funcționează cu monopropulsant, are loc o reacție chimică de auto-oxidare-auto-vindecare cu participarea catalizatorilor sau motorul funcționează numai datorită tranziției de fază a substanței monopropulsante, de exemplu, de la o stare lichidă la o stare gazoasă . stare .

Combustibilul solid pentru rachete constă, de asemenea, dintr- un oxidant și combustibil , dar sunt sub forma unui amestec de solide .

Grupuri (tipuri de bază)

Combustibilul pentru rachete poate fi împărțit în diferite grupuri într-o măsură destul de convențională; Principalele grupuri sunt de obicei considerate după cum urmează:

Tipuri

Propelenți chimici Oxidanți pentru combustibili lichizi Radicali liberi Combustibili nucleari

Combustibil pentru rachete și vehicule spațiale

Scoaterea navelor spațiale din atmosfera terestră și accelerarea la viteze orbitale necesită costuri uriașe de energie. Propulzanții și materialele structurale utilizate în prezent ale rachetelor asigură că raportul de masă la lansare și pe orbită nu este mai bun de 24:1. Prin urmare, masa unei rachete spațiale la început este de sute și chiar mii de tone . Ridicarea unei astfel de mase de pe rampa de lansare necesită o tracțiune superioară a jetului din partea motoarelor. Prin urmare, principala cerință pentru combustibilul primei etape a rachetelor este capacitatea de a crea o forță semnificativă cu dimensiuni acceptabile ale motorului și rezerve de combustibil. Impingerea este direct proporțională cu impulsul specific și cu fluxul de masă al propulsorului, adică este necesar mai puțin combustibil cu un impuls specific ridicat pentru a pune aceeași sarcină pe orbită. Impulsul specific este invers proporțional cu greutatea moleculară a produselor de ardere, ceea ce înseamnă densitatea scăzută a combustibilului de înaltă performanță și, în consecință, volumul și greutatea semnificative a motorului și a structurii sistemului de combustibil. Prin urmare, la alegerea combustibililor se cauta un compromis intre greutatea structurii si greutatea combustibilului. La un capăt al acestei alegeri se află perechea combustibil hidrogen lichid + oxigen lichid cu cel mai mare impuls specific și densitate scăzută. La celălalt capăt se află un propulsor solid pe bază de perclorat de amoniu cu impuls specific scăzut, dar densitate mare.

Pe lângă capacitățile energetice ale combustibilului, sunt luați în considerare și alți factori. Instabilitatea arderii combustibililor poate duce la defecțiuni ale motorului sau explozii. Temperatura ridicată de ardere și compoziția produselor de ardere a combustibililor impun cerințe sporite asupra designului, materialelor și tehnologiei motoarelor.

Propulsorii criogenici fac racheta mai grea cu izolarea termică, restrâng alegerea materialelor structurale la materiale rezistente la frig și complică proiectarea și testarea. Prin urmare, în zorii erei spațiale, combustibilii erau utilizați pe scară largă, unul sau ambele componente ale căror componente nu erau criogenice: acestea sunt combustibili kerosen + oxigen lichid etc. Combustibili „putoroși” care foloseau hidrazina și cei mai simpli derivați ai săi ( MMH , UDMH ) ca combustibil și tetroxid de azot sau acid azotic ca oxidant . Acești combustibili au caracteristici destul de acceptabile, prin urmare sunt utilizați pe scară largă în timpul nostru.

Pe lângă factorii tehnici, sunt importanți și factorii economici, istorici și sociali. Propelenții criogenici necesită o infrastructură complexă costisitoare specifică porturilor spațiale pentru a obține și stoca materiale criogenice, cum ar fi oxigenul lichid și hidrogenul. Combustibilii foarte toxici, cum ar fi UDMH, creează riscuri de mediu pentru personal și locurile în care cad etapele rachetelor, precum și riscuri economice ale consecințelor contaminării teritoriilor în situații de urgență.

Rachetele folosesc în prezent patru tipuri de combustibil pentru a lansa nave spațiale:

  • Kerosen + oxigen lichid . Un combustibil popular, ieftin, cu o infrastructură de combustibil superb dezvoltată. Are un bun prietenos cu mediul, o densitate bună. Cele mai bune motoare oferă un impuls specific (SI) de puțin peste 300 de secunde la presiunea atmosferică și aproximativ 335 de secunde în vid. Folosit în: RD-107A (Soyuz - 2.1b LV ), RD-180 ( Atlas-5 LV ), RD-191 ( Angara LV ), Merlin ( Falcon 9 LV ), etc.
  • Dimetilhidrazină nesimetrică ("heptil") sau monometilhidrazină + tetroxid de azot ("amil") . Combustibil extrem de toxic. Cu toate acestea, stabilitatea ridicată la combustie, autoaprinderea vaporilor de combustibil, simplitatea relativă a fitingurilor de combustibil, ușurința de depozitare, densitatea bună și caracteristicile energetice au predeterminat utilizarea sa pe scară largă. Astăzi, se fac eforturi pentru a elimina treptat UDMH. Posibilitatea depozitării pe termen lung nu lasă încă o alternativă la acest combustibil pentru motoarele reutilizabile utilizate în manevrele orbitale ale navelor spațiale. UI se apropie de perechea oxigen-kerosen. Folosit în: RD-276 (LV " Proton ").
  • Hidrogen lichid + oxigen lichid ( LOX / LH2 ). Densitatea foarte scăzută și temperaturile extrem de scăzute de stocare a hidrogenului lichid pun la îndoială eficiența utilizării acestui combustibil în prima etapă a rachetelor. Este utilizat pe scară largă în etapele superioare ale vehiculelor de lansare, unde prioritatea împingerii este redusă, iar costul masei crește. Are un excelent mediu prietenos. RI-ul celor mai bune motoare la nivelul mării este de peste 350 de secunde, în vid - 450 de secunde. Folosit în: RS-25 (RN SLS , Space Shuttle ), Vulcain (RN " Ariane-5 "), LE-7A (RN H-IIB ), etc.
  • Propulsor solid mixt pe bază de perclorat de amoniu . Combustibil scump, necesită o cultură înaltă de producție. Este utilizat pe scară largă în racheta occidentală în primele etape (boosters) ale rachetelor datorită densității sale mari, ușurinței de a obține o tracțiune semnificativă și simplității proiectării motoarelor cu combustibil solid. Dintre cei patru combustibili enumerați, are cea mai poluată compoziție de produse de ardere. Interfața de utilizare tipică este de 250 de secunde. Este folosit în amplificatoarele laterale ale navetei spațiale MTKK , vehiculului de lansare SLS , vehiculului de lansare Ariane-5 etc.

În prezent, se lucrează la introducerea unui combustibil criogenic promițător metan lichid + oxigen lichid . Un combustibil foarte ieftin, din punct de vedere al altor caracteristici ocupă o poziție intermediară între perechile de combustibil kerosen + oxigen lichid și hidrogen lichid + oxigen lichid . Folosit în: BE-4 (LV Vulcan , New Glenn ), Raptor ( SpaceX Starship ), etc.

Note

  1. ↑ Combustibil pentru rachete (RT) . Enciclopedia forțelor strategice de rachete . MO RF . Preluat la 11 iunie 2021. Arhivat din original la 11 iunie 2021.
  2. ↑ Cosmonautics: Encyclopedia, 1985 , Cryogenic propellant, p. 209.

Literatură

  • Cosmonautică: Enciclopedie / Cap. ed. V. P. Glushko ; Colegiul de redacție: V. P. Barmin , K. D. Bushuev , V. S. Vereșchetin și alții - M. : Enciclopedia sovietică, 1985. - 528 p.

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii