Tipos de combustible militar para cohetes
antecedentes históricos
El combustible para cohetes contiene combustible y un agente oxidante y, a diferencia del combustible para aviones, no necesita un componente externo: aire o agua. Los combustibles para cohetes en su estado de agregación se dividen en líquidos, sólidos e híbridos. Los combustibles líquidos se dividen en criogénicos (con un punto de ebullición de componentes por debajo de cero grados Celsius) y de alto punto de ebullición (el resto). Los combustibles sólidos consisten en un compuesto químico, solución sólida o mezcla plastificada de componentes. Los combustibles híbridos consisten en componentes en un estado diferente de agregación; en este momento están en la etapa de investigación.
Históricamente, el primer combustible de cohete era polvo de humo, que consistía en una mezcla de nitrato (agente oxidante), carbón (combustible) y azufre (aglutinante), que se utilizó por primera vez en cohetes chinos en el siglo 2 d. C. Las municiones con un motor de cohete propulsor sólido (RDTT) se utilizaron en el ejército como dispositivo incendiario y de señalización.
Después de la invención de la pólvora sin humo a fines del siglo XIX sobre su base, se desarrolló un combustible balístico de un componente, que consiste en una solución sólida de nitrocelulosa (combustible) en nitroglicerina (agente oxidante). El combustible balístico tiene una energía múltiple en comparación con el polvo negro, tiene una alta resistencia mecánica, está bien formado, estabilidad química a largo plazo durante el almacenamiento, tiene un bajo costo. Estas cualidades predeterminaron el uso generalizado de combustible balístico en las municiones más populares equipadas con cohetes propulsores sólidos propulsados por cohetes: cohetes y granadas.
El desarrollo de disciplinas científicas como la dinámica de los gases, la física de la combustión y la química de los compuestos de alta energía en la primera mitad del siglo XX permitió ampliar la composición de los combustibles para cohetes mediante el uso de componentes líquidos. El primer motor de cohete militar propulsado por cohete de combustible líquido Fau-2 utilizó un agente oxidante criogénico: oxígeno líquido y combustible de alto punto de ebullición: alcohol etílico.
Después de la Segunda Guerra Mundial, cohete оружие ganó prioridad en el desarrollo en comparación con otros tipos de armas debido a su capacidad de entregar cargas nucleares al objetivo a cualquier distancia, desde varios kilómetros (sistemas reactivos) hasta el alcance intercontinental (misiles balísticos). Además, las armas de cohetes desplazaron significativamente la artillería en aviación, Defensa aérea, fuerzas terrestres y la flota debido a la falta de retroceso al lanzar municiones con motores de cohete.
Simultáneamente con los combustibles de cohetes balísticos y líquidos, los combustibles sólidos mixtos multicomponentes se desarrollaron como los más adecuados para uso militar debido a su amplio rango de temperatura de operación, eliminación del peligro de derrame de componentes, menor costo de motores de cohetes sólidos debido a la ausencia de tuberías, válvulas y bombas, más tracción por unidad de peso.
Características principales de los combustibles para cohetes.
Además del estado de agregación de sus componentes, los combustibles para cohetes se caracterizan por los siguientes indicadores:
- impulso específico de empuje;
- estabilidad térmica;
- estabilidad química;
- toxicidad biológica;
- densidad;
- ahumado
El impulso de empuje específico de los combustibles para cohetes depende de la presión y la temperatura en la cámara de combustión del motor, así como de la composición molecular de los productos de combustión. Además, el impulso específico depende del grado de expansión de la boquilla del motor, pero esto se aplica más al entorno externo de la tecnología de cohetes (atmósfera de aire o espacio exterior).
El aumento de la presión se garantiza mediante el uso de materiales estructurales de alta resistencia (aleaciones de acero para motores de cohetes y organoplásticos para motores de cohetes de propulsores sólidos). En este aspecto, los motores de cohete propulsor líquido están por delante de los motores de cohete propulsor sólido debido a la compacidad de su sistema de propulsión en comparación con la carcasa del motor de combustible sólido, que es una gran cámara de combustión.
La alta temperatura de los productos de combustión se logra mediante la adición de metal de aluminio a un combustible sólido o un compuesto químico - hidruro de aluminio. El combustible líquido puede usar tales aditivos solo si está espesado con aditivos especiales. La protección térmica del motor del cohete está garantizada por el enfriamiento del combustible, la protección térmica del motor del cohete propulsor sólido se logra al unir firmemente el bloque de combustible a las paredes del motor y el uso de revestimientos compuestos de carbono-carbono quemables en la sección crítica de la boquilla.
La composición molecular de los productos de combustión / descomposición del combustible afecta el caudal y su estado de agregación a la salida de la boquilla. Cuanto menor es el peso de las moléculas, mayor es la velocidad de flujo: los productos de combustión más preferidos son las moléculas de agua, seguidas de nitrógeno, dióxido de carbono, cloro y otros óxidos de halógeno; el menos preferido es el óxido de aluminio, que se condensa en la boquilla del motor a un estado sólido, reduciendo así el volumen de gases en expansión. Además, la fracción de óxido de aluminio obliga al uso de boquillas de forma cónica debido al desgaste abrasivo de las boquillas Laval más eficientes con una superficie parabólica.
Para los combustibles de cohetes militares, su estabilidad térmica es de particular importancia debido al amplio rango de temperatura de operación de la tecnología de cohetes. Por lo tanto, los combustibles líquidos criogénicos (oxígeno + queroseno y oxígeno + hidrógeno) se usaron solo en la etapa inicial del desarrollo de misiles balísticos intercontinentales (P-7 y Titán), así como para lanzadores de transbordadores espaciales (Transbordadores espaciales y energía) diseñados para el lanzamiento de satélites y armas espaciales en órbita cercana a la Tierra.
Actualmente, el sector militar utiliza exclusivamente combustible líquido de alto punto de ebullición basado en tetraóxido de nitrógeno (AT, un agente oxidante) y dimetilhidrazina asimétrica (UDMH, combustible). La estabilidad térmica de este par de combustible está determinada por el punto de ebullición de AT (+ 21 ° C), que limita el uso de este combustible por misiles ubicados en condiciones termostatizadas de silos de misiles de ICBM y SLBM. Debido a la agresividad de los componentes, solo un país del mundo posee / posee la tecnología para su producción y operación de tanques de misiles: la URSS / RF (Voevoda y Sarmat ICBM, Sineva y Liner SLBM). Como excepción, AT + UDMH se usa como combustible del misil de crucero X-22 Storm, pero debido a problemas con la operación en tierra, el X-22 y su próxima generación X-32 están planeados para ser reemplazados por misiles de crucero Zircon usando un motor a reacción usando queroseno como combustible.
La estabilidad térmica de los combustibles sólidos está determinada principalmente por la propiedad correspondiente del disolvente y el aglutinante polimérico. En la composición de los combustibles balísticos, el disolvente es la nitroglicerina, que en la solución sólida con nitrocelulosa tiene un rango de temperatura de funcionamiento de menos a más 50 ° C. En combustibles mixtos, se usan varios cauchos sintéticos con el mismo rango de temperatura de funcionamiento como aglutinante polimérico. Sin embargo, la estabilidad térmica de los componentes principales de los combustibles sólidos (dinitramida de amonio + 97 ° C, hidruro de aluminio + 105 ° C, nitrocelulosa + 160 ° C, perclorato de amonio y octogen + 200 ° C) excede significativamente la propiedad similar de los ligantes conocidos, y por lo tanto, es relevante busca sus nuevos compuestos.
El par de combustible químicamente más estable es AT + UDMH, ya que desarrolló una tecnología doméstica única para el almacenamiento ampulizado en tanques de aluminio bajo un ligero exceso de presión de nitrógeno durante un tiempo prácticamente ilimitado. Todos los combustibles sólidos se degradan químicamente con el tiempo debido a la descomposición espontánea de los polímeros y sus solventes tecnológicos, después de lo cual los oligómeros entran en reacciones químicas con otros componentes del combustible más estables. Por lo tanto, los verificadores de propulsores sólidos necesitan un reemplazo regular.
El componente biológicamente tóxico de los combustibles para cohetes es UDMH, que afecta el sistema nervioso central, las membranas mucosas de los ojos y el tracto digestivo de una persona, y provoca cáncer. En este sentido, el trabajo con UDMH se lleva a cabo en trajes aislantes de protección química utilizando aparatos de respiración autónomos.
El valor de la densidad del combustible afecta directamente la masa de los tanques de combustible del motor del cohete y el casco del cohete propulsor sólido: cuanto mayor es la densidad, menor es la masa parásita del cohete. La densidad más baja del par de combustible de hidrógeno + oxígeno es 0,34 g / cu. cm, para un par de queroseno + oxígeno, la densidad es 1,09 g / cu. cm, AT + UDMH - 1,19 g / cu. cm, nitrocelulosa + nitroglicerina - 1,62 g / cu. cm, aluminio / hidruro de aluminio + perclorato de amonio / dinitramida - 1,7 g / cc, octogen + perclorato de amonio - 1,9 g / cc Ver. Debe tenerse en cuenta que los propulsores sólidos de propulsión sólida de combustión axial tienen una densidad de carga de combustible que es aproximadamente la mitad de la densidad de combustible debido a la sección en forma de estrella del canal de combustión utilizada para mantener una presión constante en la cámara de combustión independientemente del grado de combustión del combustible. Lo mismo se aplica a los combustibles balísticos, que se forman en forma de un conjunto de cintas o cuadros para reducir el tiempo de combustión y la distancia de aceleración de los cohetes y cohetes. En contraste con ellos, la densidad de la carga de combustible en el combustible sólido de combustible sólido de combustible sólido de combustible sólido basado en HMX coincide con la densidad máxima indicada para ello.
La última de las principales características de los combustibles para cohetes es el ahumado de los productos de combustión, desenmascarando visualmente el vuelo de cohetes y cohetes. Esta característica es inherente a los combustibles sólidos que contienen aluminio, cuyos óxidos se condensan a un estado sólido durante la expansión en la boquilla de un motor de cohete. Por lo tanto, estos combustibles se utilizan en misiles balísticos de propulsión de cohetes sólidos, cuya parte activa de la trayectoria está fuera de la línea de visión directa del enemigo. Los misiles de aviones están equipados con combustibles a base de perclorato de amonio y octogen, cohetes, granadas y misiles antitanque con combustibles balísticos.
Rocket Fuel Energy
Para comparar las capacidades energéticas de los diferentes tipos de combustible para cohetes, es necesario establecer condiciones de combustión comparables en forma de presión en la cámara de combustión y el grado de expansión de la boquilla del motor del cohete, por ejemplo, atmósferas 150 y expansión 300-fold. Entonces, para pares de combustible / triples, el impulso específico será:
oxígeno + hidrógeno - 4,4 km / s;
oxígeno + queroseno - 3,4 km / s;
AT + UDMH - 3,3 km / s;
dinitramida de amonio + hidruro de hidrógeno + octogen - 3,2 km / s;
perclorato de amonio + aluminio + octogen - 3,1 km / s;
perclorato de amonio + octogen - 2,9 km / s;
nitrocelulosa + nitroglicerina - 2,5 km / s.
El combustible sólido basado en dinitramida de amonio fue un desarrollo doméstico de los últimos 1980-s, se utilizó como combustible para la segunda y tercera etapa de los cohetes RT-23 UTTX y P-39 y aún no ha sido superado en rendimiento energético por las mejores muestras de combustible extranjero basado en perclorato de amonio, utilizado en misiles Minuteman-3 y Trident-2. La dinitramida de amonio es un explosivo que detona incluso a partir de la radiación de la luz; por lo tanto, se produce en habitaciones iluminadas por lámparas de luz roja de baja potencia. Las dificultades tecnológicas no permitieron dominar el proceso de fabricación de combustible para cohetes basado en él en ninguna parte del mundo, excepto en la URSS. Otra cuestión es que la tecnología soviética se implementó rutinariamente solo en la Planta Química Pavlograd, ubicada en la Región Dnepropetrovsk de la RSS de Ucrania, y se perdió en el 1990 años después de que la planta se volviera a perfilar para producir productos químicos domésticos. Sin embargo, a juzgar por las características tácticas y técnicas de los modelos prometedores de armas del tipo RS-26 "Frontier", la tecnología se restauró en Rusia en los 2010-s.
Un ejemplo de una composición altamente efectiva es la composición de combustible sólido para cohetes de la patente rusa No. 2241693, propiedad de la Planta de Perm. S.M. Kirov ":
el agente oxidante es dinitramida de amonio, 58%;
combustible - hidruro de aluminio, 27%;
plastificante - trinitrato de nitroisobutilo glicerol, 11,25%;
aglutinante - caucho de nitrilo polibutadieno, 2,25%;
endurecedor - azufre, 1,49%;
estabilizador de combustión - aluminio ultrafino, 0,01%;
aditivos: hollín, lecitina, etc.
Perspectivas para el desarrollo de combustibles para cohetes.
Las principales áreas de desarrollo de combustibles líquidos para cohetes son (en orden de prioridad):
- el uso de oxígeno sobreenfriado para aumentar la densidad del agente oxidante;
- la transición a un par de combustible de oxígeno + metano, cuyo componente combustible tiene 15% más energía y 6 veces mejor capacidad calorífica que el queroseno, dado que los tanques de aluminio están endurecidos a la temperatura del metano líquido;
- la adición de ozono a la composición de oxígeno al nivel de 24% para aumentar el punto de ebullición y la energía del agente oxidante (una gran proporción de ozono es explosivo);
- el uso de combustible tixotrópico (espesado), cuyos componentes contienen suspensiones de pentaborano, pentafluoruro, metales o sus hidruros.
El oxígeno sobreenfriado ya se usa en el vehículo de lanzamiento Falcon 9; en Rusia y los EE. UU. Se están desarrollando motores de cohete de combustible de aceite de oxígeno + metano.
La dirección principal del desarrollo de los combustibles sólidos para cohetes es la transición a ligantes activos que contienen oxígeno en sus moléculas, lo que mejora el equilibrio oxidativo del combustible sólido en su conjunto. El ejemplo doméstico moderno de tal aglutinante es la composición de polímero Nika-M, que incluye grupos cíclicos de dióxido de dinitrilo y butilendiol-poliéteruretano, desarrollado por el Instituto Estatal de Investigación de Cristal (Dzerzhinsk).
Otra área prometedora es la expansión de la gama de explosivos de nitramina utilizados, que tienen un mayor equilibrio de oxígeno en comparación con el octógeno (menos 22%). En primer lugar, es hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, balance de oxígeno menos 10%) y octanitrocubane (balance de oxígeno cero), las perspectivas de su uso dependen de reducir el costo de su producción: actualmente el Cl-20 es mucho más caro que el octógeno, el octonitrocuban es mucho más caro que el Cl -20.
Además de mejorar los tipos conocidos de componentes, también se están llevando a cabo investigaciones para crear compuestos poliméricos cuyas moléculas consisten exclusivamente en átomos de nitrógeno interconectados por enlaces simples. Como resultado de la descomposición del compuesto polimérico bajo la influencia del calentamiento, el nitrógeno forma moléculas simples de dos átomos conectados por un triple enlace. La energía liberada en este caso es el doble de la energía de los explosivos de nitramina. Por primera vez, científicos rusos y alemanes obtuvieron compuestos de nitrógeno con una red cristalina tipo diamante en 2009 durante los experimentos en una configuración experimental conjunta bajo la influencia de la presión en 1 millones de atmósferas y la temperatura en 1725 ° C. Actualmente, se está trabajando para lograr un estado metaestable de polímeros de nitrógeno a presiones y temperaturas normales.
Los compuestos químicos prometedores que contienen oxígeno son los óxidos de nitrógeno superiores. El óxido nítrico V conocido (una molécula plana que consiste en dos átomos de nitrógeno y cinco átomos de oxígeno) no representa un valor práctico como componente del combustible sólido debido a su bajo punto de fusión (32 ° C). La investigación en esta dirección se lleva a cabo buscando un método para la síntesis de óxido nítrico VI (hexóxido de tetraazotina), cuya molécula esquelética tiene la forma de un tetraedro, en la parte superior de la cual hay cuatro átomos de nitrógeno unidos a seis átomos de oxígeno ubicados en los bordes del tetraedro. El cierre completo de los enlaces interatómicos en la molécula de óxido nítrico VI hace posible predecir su mayor estabilidad térmica similar a la urotropina. El balance de oxígeno del óxido nítrico VI (más 63%) le permite aumentar significativamente la gravedad específica de los combustibles sólidos para cohetes de componentes de alta energía como metales, hidruros metálicos, nitraminas y polímeros de hidrocarburos.
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