Ракетное топливо нафтил что это
Сага о ракетных топливах
«. И нет ничего нового под солнцем»
О топливах, ракетах, ракетных двигателях писалось, пишут и будут писать.
Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П. Глушко «Жидкое топливо для реактивных двигателей», изданную в 1936 г.
Для меня тема показалась интересной, связанной с моей бывшей специальностью и учёбой в ВУЗе, тем паче «приволок» её мой младший отпрыск: «Шеф давай замесим, что нить такое и запустим, а если лень, то мы сами «сообразим». Видимо, лавры экстремалов из «Лин Индастриал» не дают покоя.
«Соображать» будем вместе, под строгим родительским контролем. Руки ноги должны быть целыми, чужие тем более.
«Ключ на старт». «Поехали»! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)
Для химических двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное.
Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):
—>Термины и сокращения.
Дополнительно (HTML-теги на TopWar не той системы, посему spoilerЫ и каты приходится так организовывать):
Удельный импульс (Iуд).
Реактивная тяга (Р или Fр).
Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)(подробнее-кликнуть)-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.
Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае).
Виды топлив(в общем случае).
Химическим источником тепловой энергии для РД в общем случае можно считать химическую реакцию компонентов РТ.
Начну вещать с Km0. Это очень важное соотношение для РД: топливо может гореть по-разному в РД (химическая реакция в РД-это не обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение (точнее окисление) топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.
Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ.
Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.
Как правило, αок. Пофантазируйте: вместо Н2О представьте ЖК (LOX).
Шугирование позволит увеличить общую плотность окислителя.
Пример захолаживания (переохлаждения) БР Р-9А: в качестве окислителя в ракете впервые было решено использовать переохлажденный жидкий кислород, что позволило уменьшить общее время подготовки ракеты к пуску и повысить степень ее боеготовности.
Давно инженеры мучились с ним, пытаясь использовать в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике.
Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и Iуд. У жидкого озона большая плотность, чем у жидкого кислорода (1,35 против 1,14 г/см³ соответственно), а его Т кипения выше (−112 °C и −183 °C соответственно).
Пока непреодолимым препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона с разложением его на O и O2, при котором возникает движущаяся со скоростью около 2 км/с детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 3·107 дин/см2 (3 МПа), что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники, за исключением использования устойчивых кислород-озоновых смесей (до 24 % озона). Преимуществом подобной смеси также является больший удельный импульс для водородных двигателей, по сравнению с озон-водородными. На сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по Iуд на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива.
HNO3 имеет высокую плотность, невысокую стоимость, производится в больших количествах, достаточно стабильна, в том числе при высоких температурах, пожаро- и взрывобезопасная. Главное ее преимущество перед жидким кислородом в высокой температуре кипения, а, следовательно, в возможности неограниченно долго храниться без всякой теплоизоляции. Молекула азотной кислоты HNO3 – почти идеальный окислитель. Она содержит в качестве “балласта” атом азота и “половинку” молекулы воды, а два с половиной атома кислорода можно использовать для окисления топлива. Но не тут-то было! Азотная кислота настолько агрессивное вещество, что непрерывно реагирует само с собой–атомы водорода отщепляются от одной молекулы кислоты и присоединяются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушаются концентрированной азотной кислотой (в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов). Для уменьшения коррозионной активности в азотную кислоту стали добавлять различные вещества, всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз.
Мы почти 20 лет искали подходящую тару для азотной кислоты. Очень трудно при этом подобрать конструкционные материалы для баков, труб, камер сгорания ЖРД.
Вариант окислителя, что выбрали в США, с 14 % двуокиси азота. А наши ракетчики поступили иначе. Надо было догонять США любой ценой, поэтому окислители советских марок – АК-20 и АК-27 – содержали 20 и 27 % тетраоксида.
Интересный факт: в первом советском ракетном истребителе БИ-1 были использованы для полетов азотная кислота и керосин.
Баки и трубы пришлось изготовлять из монель-металла: сплава никеля и меди, он стал очень популярным конструкционным материалом у ракетчиков. Советские рубли были почти на 95 % сделаны из этого сплава.
Недостатки: терпимая «гадость». Коррозионною активна. Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.
«Принял эстафету» от азотной кислоты в военных двигателях. Обладает саомовоспламеняемостью с гидразином, НДМГ. Низкокипящий компонент, но может долго хранится при принятии особых мер.
Недостатки: такая же гадость, как и HNO3, но со своими причудами. Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида, иногда её называют «красной дымящейся азотной кислотой». Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.
В основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД КА благодаря своим свойствам: долгохранимость и самовоспламеняемость. Характерные горючие для АТ это НДМГ и гидразин.
Супер? Облом, а не «супер».
Врагу такой окислитель не пожелаешь.
Чрезвычайно коррозионною активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же «грехи»: жутко коррозионны и токсичны.
Техника безопасности. Фтор токсичен, предельно допустимая концентрация его в воздухе примерно 2·10-4 мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5·10-3мг/л.
ЖРД 8Д21 применение пары фтор + аммиак давало удельный импульс на уровне 4000 м/с.
Для пары F2+H2 получается Iуд=4020 м/с!
Беда: HF-фтороводород на «выхлопе».
Стартовая позиция после запуска такого «энергичного движка»?
Лужа жидких металлов и прочих растворённых в плавиковой кислоте химических и органических объектов!
Н2+2F=2HF, при комнатной температуре существует в виде димера H2F2.
Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА не реально из-за убийственной сложности хранения и разрушительного действия продуктов сгорания.
Всё то же самое относится и к остальным жидким галогенам, например, к хлору.
Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС «Спираль» предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П. Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.
Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.
Alles: список более-менее реальных окислителей закончен. Акцентирую внимание на HClО4. Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только: моногидрат (Н2О+ClО4)-твёрдое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlО4)-плотная вязкая жидкость. Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива.
Окислители можно классифицировать и так:
Итоговый (чаще используемый) список окислителей в связке с реальными же горючими:
Примечание: если хотите перевести один вариант удельного импульса в другой, то можно пользоваться простой формулой: 1 м/с = 9,81 с.
Горючие
Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПа
По физико-химическому составу их можно разбить на несколько групп:
Углеводородные горючие.
Низкомолекулярные углеводороды.
Простые вещества: атомарные и молекулярные.
Для этой темы пока практический интерес представляет лишь водород (Hydrogenium).
Na, Mg, Al, Bi, He, Ar, N2, Br2, Si, Cl2, I2 и др. я не буду рассматривать в этой статье.
Гидразиновые топлива («вонючки»).
Поиски оптимального горючего начались с освоения энтузиастами ЖРД. Первым широко использовавшимся горючим стал спирт (этиловый), применявшийся на первых
советских ракетах Р-1, Р-2, Р-5 («наследство» ФАУ-2) и на самой Vergeltungswaffe-2.
Вернее раствор 75% этилового спирта (этанол, этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт или алкоголь, часто в просторечии просто «спирт») — одноатомный спирт с формулой C2H5OH (эмпирическая формула C2H6O), другой вариант: CH3-CH2-OH
У этого горючего два серьёзных недостатка, которые очевидно не устраивали военных: низкие энергетические показатели и низкая стойкость личного состава к «отравлению» таким горючим.
Сторонники здорового образа жизни (спиртофобы) пытались решить вторую проблему с помощью фурфурилового спирта. Это ядовитая, подвижная, прозрачная, иногда желтоватая (до темно-коричневого), со временем краснеющая на воздухе жидкость. ВАРВАРЫ!
Условная формула C7,2107H13,2936
Горючая смесь жидких углеводородов (от C8 до C15) с температурой кипения в интервале 150—250 °C, прозрачная, бесцветная (или слегка желтоватая), слегка маслянистая на ощупь
плотность — от 0,78 до 0,85 г/см³ (при температуре 20°С);
вязкость — от 1,2 – 4,5 мм²/с (при температуре 20°С);
температура вспышки — от 28°С до 72°С;
теплота сгорания — 43 Мдж/кг.
Моё мнение: о точной молярной массе писать бессмысленно
Керосин является смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим. формуле) и «размазанная» температура кипения. Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно во всём мире в двигателях и в авиации. Именно на нем до сих пор летают «Союзы». Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. Всё же керосин опасен и вреден для здоровья (употребление внутрь).
А ведь находятся люди, которые им что только ни лечат! Минздрав категорически против!
Солдатские байки: хорошо помогает избавиться от противных Pthirus pubis.
Однако и он требует осторожности в обращении при эксплуатации: видео аварии пассажирского самолёта
Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве. Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность.
Американские ракетные керосины Rocket Propellant-1 или Refined Petroleum-1
Относительно дешёвый был раньше.
Для повышения плотности лидерами освоения космоса были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).
Синтез синтина.
Керосин имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что отрицательно сказывается на охлаждении. На это его нехорошее свойство педалируют Мухин, Велюров @Co.
Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.
Шедевр человеческого разума и инженерии наша «жемчужина» РД-170/171:
Теперь более корректным названием для горючих на основе керосина стал термин УВГ-«углеводородное горючее», т.к. от керосина, который жгли в безопасных керосиновых лампах И. Лукасевича и Я. Зеха, применяемое УВГ «ушло» очень далеко.
На самом деле «Роскосмос» дезу выдаёт:
Всеми сейчас рассматривается как перспективное и дешёвое топливо, как альтернатива керосину и водороду.
Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:
Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: около 3250-3300 м/с на земле. Неплохой охладитель.
Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. В последнее время идут активные НОР и НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120).
Или «Kinder Surpeis», как пример: американский Raptor engine от Space X:
К этим топливам можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики, как горючих, близки (за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения) к УВГ. И имеются такие же проблемы при их использовании.
Особняком среди горючих позиционируется Водород-H2 (Жидкий: LH2).
Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским, но реализовано другими:
С точки зрения термодинамики Н2 идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода ТНА.
Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок:
Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ) — безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.
Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис». Но пока не летает
Этот ТК обеспечивает высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3835 м/с.
Из реально используемых это самый высокий показатель. Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист, на «выходе» в контакте с О2: вода (водяной пар). Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. Нетоксичен. Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.
1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки РН «Энергия» и МТКК «Шаттл». Из-за низкой плотности применим (как правило) на верхних ступенях РН.
Кроме того, низкая плотность ставит непростую задачу для насосов: насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.
По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосные агрегаты горючего (БНАГ) сразу за заборным устройством в баках, дабы облегчить жизнь основному ТНА.
Ещё насосы водорода для оптимальных режимов требуют значительно большей частоты вращения ТНА.
Подробнее о «сюрпризах»:
«МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМАХ» Н0Р В.А. ГордеевВ.П. Фирсов, А.П. Гневашев, Е.И. Постоюк
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, КБ «Салют»; «Московский авиационный институт (Государственный технический университет)
Низкая температура кипения затрудняет и закачку в баки и хранение этого топлива в баках и хранилищах.
3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа:
Коэффициент сжимаемости (pv/RT) при 273,15 К : 1,0006 (0,1013 МПа), 1,0124 (2,0266 МПа), 1,0644 (10,133 МПа), 1,134 (20,266 МПа), 1,277 (40,532 МПа);
Водород может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортоводород (о-Н2) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов. Пара-водород (п-Н2)-антипараллельную.
При обычных и высоких температурах Н2 (нормальный водород, н-Н2) представляет собой смесь 75% орто- и 25% пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). При превращении о-Н2 в п-Н2 выделяется тепло (1418 Дж/моль).
Это всё накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, ЖРД, ТНА, циклограммы работы, и особенно насосов.
4. Газообразный водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы. Н2г обладает высокой теплопроводностью, равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху).
Водород в обычном состоянии при низких температурах малоактивен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с Сl2. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла;
5. Со щелочными и щелочно-земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды – до насыщенных (см. Гидрирование).
Водород очень легко отдает свой электрон. В растворе отрывается в виде протона от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О. Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.
6. Пожароопастность и взрывоопасность. Можно не рассусоливать: гремучую смесь все знают.
Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.
Т.о. водород есть и Gut (даже Sehr Gut), и одновременно «головная боль» (даже сильная боль головная).
Первый закон диалектики: «Единство и борьба противоположностей» /Georg Wilhelm Friedrich Hegel/
Впечатляет Space Shuttle Main Engine (SSME)?
Наиболее освоены водородные двигатели в США.
Сейчас мы позиционируемся на 3-4 месте в «Водородном клубе» (после Европы, Японии и Китая/Индии).
Отдельно упомяну твёрдый и металлический водород.
Твердый водород кристаллизуется в гексагональной решетке (а = = 0,378 нм, с = 0,6167 нм), в узлах которой расположены молекулы Н2, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами; плотность 86,67 кг/м³; С° 4,618 Дж/(моль*К) при 13 К; диэлектрик. При давлении свыше 10000 МПа предполагается фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами. Теоретически предсказана возможность сверхпроводимости «металлический водород».
Шотландский химик Дж. Дьюар в 1899 году впервые получил водород в твёрдом состоянии. Для этого он использовал регенеративную охлаждающую машину, основанную на эффекте Джоуля—Томсона.
Анамезон, антивещество, метастабильный гелий пока оставлю за кадром.
Недостатки: токсичен, вонючий.
Пары гидразина при адиабатном сжатии взрываются. Склонен к разложению, что однако позволяет его использовать как монотопливо для ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). В силу освоенности производства более распространен в США.
Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином.
Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями. Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР.
Любимое топливо В.П.Глушко. Не любимое топливо моего ОЗК и окружающей живой природы.
Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200).
Используется, как правило, с азотными окислителями на ЖРД МБР, БРПЛ, КА и на нашей РН «Протон-*».
Недостатки: крайне токсичен. Такая же «вонючка», как и остальные «вонючки». На порядок дороже керосина.
Гидразин чрезвычайно ядовит
Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ. Более распространен в СССР.
А в реактивном двигателе французского истребителя-бомбардировщика Dassault Mirage III (хорошее видео-рекомендую) НДМГ используют как активизирующую добавку к традиционному топливу.
По поводу гидразиновых топлив.
Удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²)
За кадром остались:
Анилин, метил-, диметил- и триметиламины и CH3NHNH2-Метилгидразин (он же монометилгидразин или гептил) и пр.
На профессиональном жаргоне эти топлива называют «вонючими» или «вонючками».
Военные практически все перешли на РДТТ, как более удобные в эксплуатации. Ниша для «вонючих» топлив в космонавтике сузилась до использования в ДУ КА, где требуется долгое хранение без особых материальных или энергетических затрат.
Пожалуй, кратко обзор можно выразить графически:
Активно работают ракетчики и с метаном. Особых эксплуатационных трудностей нет: позволяет неплохо поднять давление в камере (до 40 МПа) и получить хорошие характеристики.
(РД0110МД, РД0162. Метановые проекты. Перспективные многоразовые ракеты-носители) и остальными природными газами (СПГ).
О прочих направления по повышению характеристик ЖРД (металлизация горючих, использование Не2, ацетама и прочем) я напишу позже. Если будет интерес.
Послесловие:
Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны, а порой и противозаконны. К местам их разлива без ОЗК и противогаза ЛУЧШЕ не подходить:
Как и с разлитой ртутью: звонить в МЧС, быстро приедут и всё профессионально подберут.
Всем спасибо, кто смог вытерпеть всё это до конца.