Мегабайт Медиа

Видно, что он снаружи (арматура, магистрали) полностью залит теплоизоляционным материалом.

По мнению некоторых экспертов, технология производства РД-0120 к
настоящему времени в РФ полностью утрачена. Однако на основе его
технологий на том же предприятии создается кислородно-водородный
двигатель РД-0146.

Когда компоненты РТ встречаются в КС ЖРД (по «умному» вступают в реакцию), их следует разделять на:

самовоспламеняющиеся (СТК), ограниченно-самовоспламеняющиеся (ОСТК) и несамовоспламеняющиеся ТК (НТК).

СТК:
при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии воспламеняются (во
всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур).

Это
значительно упрощает систему поджига РД, однако если компоненты
встретятся вне камеры сгорания (протечки, аварии) — то будет пожар, или
большой «бабах». Тушение затруднено.

Пример:N204 (азотный тетраксид) ММГ (монометилгидразин), N204 N2Н4 (гидразин), N2О4 НДМГ и все топлива на основе фтора.

ОСТК: здесь для воспламенения необходимо принимать специальные меры. Несамовоспламеняющиеся топлива требуют систему поджига.

Пример:керосин LOX или LH2 LOX.

# с эксплуатационных задач важны (№3):

-химическая стабильность ТК;-простота заправки, хранения, перевозки и изготовления;-экологическая
безопасность (во всём «поле» применения), а именно токсичность,
себестоимость производства и транспортировки и т.д. и безопасность при
работе РД (взрывоопасность).

Подробнее смотри «Сага о ракетных топливах-обратная сторона медали».

Надеюсь, ещё никто не уснул? У меня ощущение, что разговариваю сам с собой. Скоро будет про спирт, не отключайтесь!

Конечно,
это лишь вершина айсберга. Ещё влезают сюда дополнительные требования,
из-за которых следует искать КОНСЕНСУСЫ и КОМПРОМИСЫ. Один из
компонентов обязательно должен иметь удовлетворительные (лучше отличные)
свойства охладителя, т.к. на данном уровне технологий приходится
охлаждать КС и сопло, а также защитить критическое сечение РД:

На
фотографии сопло ЖРД XLR-99: отчётливо видна характерная особенность
конструкции американских ЖРД 50-60 годов – трубчатая камера:

Также требуется (как правило) один из компонентов использовать как рабочее тело для турбины ТНА:

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.»/ С.С. Факас/

Важный фактор-агрессивность ТК к материалам (КМ) ЖРД и баков для их хранения. Если
ТК очень «вредные» (как некоторые люди), тогда инженерам приходится
тратиться на ряд специальных мер по защите своих конструкций от топлива.

— самовоспламеняемость компонентов топлива как двуликий Янус : иногда необходима, а бывает, что и вредит. Есть еще противное свойство: взрывоопасностьДля многих отраслей использования ракет (военное применение или дальний космос)

требуется,
чтобы топливо было химически стабильным, а его хранение, заправка (в
общем всё, что называется: логистика) и утилизация не вызывали «головную
боль» у эксплуатантов и окружающей среды.

Важный параметр — токсичность продуктов сгорания. Сейчас он очень актуален.

Себестоимость
производства как самих ТК, так и баков и КМ, удовлетворяющих свойствам
(порой агрессивным) этих компонентов: нагрузка на экономику страны,
претендующей на роль «космического извозчика».

Этих требований много и как правило они антогоничны друг другу.

«союз» в последний раз запустят на керосине через месяц

Walter hwk 109-507: преимущества в простоте конструкции жрд. яркий пример такого топлива — перекись водорода.

Перекись водорода для роскошных волос «натуральных» блондинок и еще 14 секретов её применения .

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.

Окислители можно классифицировать и так:

Итоговый (чаще используемый) список окислителей в связке с реальными же горючими:

Агрегат-заправщик рб жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте.

Затруднено использование в качестве охладителя КС и сопла ЖРД.

См.

«АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КИСЛОРОДА В КАЧЕСТВЕ ОХЛАДИТЕЛЯ
КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ» САМОШКИН В.М., ВАСЯНИНА П.Ю.,
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика
М.Ф. Решетнева

Сейчас всеми изучается возможность
использования переохлажденного кислорода либо кислорода в шугообразном
состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз этого компонента. Вид будет
примерно такой же, как эта красивая ледяная шуга в бухточке правее
Шаморы:

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.

Примечание: почему-то за эту же самую процедуру нагибал (почти «чморил») Илона Маска известный писатель Дмитрий Конаныхин.См:В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 1В защиту макаронного монстра Илона Маска замолвим слово. Часть 2

Озон-O3

Молекулярная масса=48 а.е.м., молярная масса=47,998 г/мольПлотность жидкости при -188 °C (85,2 К) составляет 1,59(7) г/см³Плотность твёрдого озона при −195,7 °С (77,4 К) равна 1,73(2) г/см³Температура плавления −197,2(2) °С (75,9 К)

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.

Азотная кислота-HNO3

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 повышения уд.импульса в кислоту добавляют двуокись азота (NO2).
Добавка диоксида азота в кислоту связывает попадающую в окислитель
воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты, увеличивается
плотность раствора, достигая максимума при 14% растворенного NO2. Эту концентрацию использовали американцы для своих боевых ракет.

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.

Азотный тетраоксид-АТ (N2O4)

Молярная масса=92,011 г/мольПлотность=1,443 г/см³

«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.

Фтор-F2

Атомная масса=18,998403163 а. е. м. (г/моль)Молярная масса F2, 37,997 г/мольТемпература плавления=53,53 К (−219,70 °C)Температура кипения=85,03 К (−188,12 °C)Плотность (для жидкой фазы), ρ=1,5127 г/см³

Химия
фтора начала развиваться с 1930-х годов, особенно быстро — в годы 2-й
мировой войны 1939-45 годов и после нее в связи с потребностями атомной
промышленности и ракетной техники. Название «Фтор» (от греч. phthoros —
разрушение, гибель), предложенное А.

Ампером в 1810 году, употребляется
только в русском языке; во многих странах принято название «флюор».
Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Окисляет и кислород, и
воду, и вообще практически всё. Расчеты показывают, что максимальный
теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000
м/с!

Анамезон, антивещество, метастабильный гелий пока оставлю за кадром.

…
Гидразиновые топлива («вонючки»)
Гидразин-N2H4

Состояние при н.у.- бесцветная жидкостьМолярная масса=32.05 г/мольПлотность=1.01 г/см³

Очень распространенное топливо.

Хранится долго, и его за это «любят». Широко используется в ДУ КА и МБР/БРПЛ, где долгохранимость имеет критическое значение.

Кого смутил Iуд в размерности Н*с/кг отвечаю: это обозначение «любят» военные.Ньютон — производная единица, исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела
массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы.

Недостатки: токсичен, вонючий.

Для человека степень токсичности гидразина не определена. По расчётам
S. Krop опасной концентрацией следует считать 0,4 мг/л. Ch. Comstock с
сотрудниками полагает, что предельно допустимая концентрация не должна
превышать 0,006 мг/л. Согласно более поздним американским данным, эта
концентрация при 8-часовой экспозиции снижена до 0,0013 мг/л.

Важно
отметить при этом, что порог обонятельного ощущения гидразина человеком
значительно превышает указанные числа и равен 0,014-0,030 мг/л.
Существенным в этой связи является и тот факт, что характерный запах
ряда гидразинопроизводных ощущается лишь в первые минуты контакта с
ними.

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.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)-H2N-N(CH3)2Хим. формула:C2H8N2,Рац. формула:(CH3)2NNH2Состояние при н.у.- жидкоеМолярная масса=60,1 г/мольПлотность=0,79±0,01 г/см³Широко
используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости.
При освоении технологии ампулирования — практически исчезли все проблемы
(кроме утилизации и аварий припусках).

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.

Гибкое управление

Для жидких ракетных топлив окислителями могут быть жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота с 15–20 % окислов азота, четырех­окись азота, тетранитрометан, фтор и его смеси с жидким кислородом. Горючим для жидких топлив бывают керосин, водород, гидразин (азотно-водородное соединение N2H4), бензин, парафины и ароматические соединения, окись углерода, циклогексан и циклопропан, этилен, окись пропилена или этилена, ацетилен с водородом.

Возможные комбинации «горючее — окислитель»:

Жидкие водород и кислород для космических шаттлов.
Бензин и жидкий кислород использовались в ракетах Годдарда.
Керосин и жидкий кислород применялись для первой ступени «Сатурн-5» в программе «Апполон».
Спирт и жидкий кислород в немецких ракетах V2, известных как «Фау-2» — первые в мире баллистические ракеты.
Четырехокись азота и монометилгидразин использовались в двигателях аппарата «Кассини».

Глупые вопросы о топливе

NT: Хранят ли топливо, и как это делают?РОСКОСМОС: Двухкомпонентные хранят и транспортируют отдельно, и только непосредственно перед стартом ими заправляют ракету-носитель. Гептил может находиться в составе ракеты десятилетиями. Сроки хранения топлива в незаправленном состоянии (например, отдельно кислород и керосин) сопоставимы с автомобильным.

NT: Можно ли использовать ракетное топливо для заправки обычных двигателей внутреннего сгорания? РОСКОСМОС: Этот вопрос, на наш взгляд, больше относится к ведению автоинженеров и автопроизводителей. Вот, например, бензин и дизельное топливо, созданные и предназначенные для двигателей внутреннего сгорания, непригодны для использования в ракетных.А.Р.:

NT: Вредно ли ракетное топливо для окружающей среды?РОСКОСМОС: Экологичность заключается в воздействии соединений топлива на окружающую среду, здоровье людей и всего живого. К экологичным топливам можно отнести комбинации: керосин (нафтил) — кислород, водород — кислород, метан.

Кислород, керосин и водород не опасны — при сгорании вреда от них даже меньше, чем от автомобильного топлива. Гептил токсичен, однако реальную опасность для здоровья он может представлять лишь в процессе производства. Хранится это топливо в герметичных условиях, исключающих взаимодействие с внешней средой. А продукты сгорания гептила опасности для экологии и здоровья человека не представляют.

Горючие

Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПа

По физико-химическому составу их можно разбить на несколько групп:

Просыпайтесь сони — мы добрались уже до спирта(С2Н5ОН).

Поиски оптимального горючего начались с освоения энтузиастами ЖРД. Первым широко использовавшимся горючим стал спирт (этиловый), применявшийся на первыхсоветских 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-OHУ 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!

Хим. формула:C4H3OCH2OH, Рац. формула:C5H6O2. Отвратительная жижа.К питью не годна.

Группа углеводородов.

Керосин

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

был

Для повышения плотности лидерами освоения космоса были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).

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 .

Как пример: нафтил .

На самом деле «Роскосмос» дезу выдаёт:

После того, как в ее баки закачают компоненты топлива — нафтил (ракетный керосин),
сжиженный кислород и пероксид водорода, космическая транспортная
система будет весить более 300 тонн (в зависимости от модификации РН.

Низкомолекулярные углеводороды

Метан-CH4

Молярная масса: 16,04 г/моль Плотность газ (0 °C) 0,7168 кг/м³;жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³Т. плав.=-182,49 °CТ. кип.=-161,58 °C

Всеми сейчас рассматривается как перспективное и дешёвое топливо, как альтернатива керосину и водороду.Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:

— Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество
нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в
сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С
конструкционной точки зрения метан привлекателен.

Чтобы освободить
полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения — то есть
двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого
метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя
многоразового использования и летательного аппарата многоразового
применения.

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.

«Роскосмос» уже в 2022 году приступил к разработке силовой установки на сжиженном природном газе.

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).

Молярная масса водорода равна 2 016 г / моль или приближенно 2 г / моль.Плотность (при н. у.)=0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³Температура плавления=14,01K (-259,14 °C);Температура кипения=20,28K (-252,87 °C);

Использование пары LOX-LH

2

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.

Новая ракета «союз-2.1а» была запущена с использованием нового топлива

Окислители

Кислород

Химическая формула-О2 (дикислород, американское обозначение Oxygen-OX).В ЖРД применяется жидкий, а не газообразный кислород-Liquid oxygen (LOX-кратко и всё понятно). Молекулярная масса (для молекулы)-32г/моль. Для любителей точности: атомная масса (молярная масса)=15,99903; Плотность=1,141 г/см³Температура кипения=90,188K (−182,96°C)

С
точки зрения химии, идеальный окислитель. Он использовался в первых
баллистических ракетах ФАУ, ее американских и советских копиях. Но его
температура кипения не устраивала военных. Требуемый диапазон рабочих
температур от –55°C до 55°C (большое время подготовки к старту, малое
время нахождения на боевом дежурстве).

Очень
низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость
небольшая: менее $0,1 (по-моему, дешевле литра молока в разы).Недостатки:

Криогенный
— необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации
потерь перед стартом. Еще и может нагадить другим ТК (керосину):

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.

2.
Низкая температура. Криогенное топливо. Перед заправкой необходимо
проводить многочасовое захолаживание (и/или переохлаждение) баков и
всего тракта. Баки РН «Falocn 9FT» — взгляд изнутри:

Подробнее о «сюрпризах»:»МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМАХ» Н0Р
В.А. ГордеевВ.П. Фирсов, А.П. Гневашев, Е.И. ПостоюкФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, КБ «Салют»; «Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

В работе дана характеристика основных математических моделей
тепломассообменных процессов в баке и магистралях водорода
кислородно-водородного разгонного блока 12КРБ. Выявлены аномалии в
подаче водорода в ЖРД и предложено их математическое описание.

Модели
отработаны в ходе стендовых и летных испытаний, что дало возможность на
их базе прогнозировать параметры серийных разгонных блоков различных
модификаций и принимать необходимые технические решения по
совершенствованию пневмогидравлических систем.

Низкая температура кипения затрудняет и закачку в баки и хранение этого топлива в баках и хранилищах.

3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа:

Это всё накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, ЖРД, ТНА, циклограммы работы, и особенно насосов.

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».

Твёрдый водород—твёрдое агрегатное состояние водорода.Температура плавления −259,2 °C (14,16 К).Плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии.

Шотландский
химик Дж. Дьюар в 1899 году впервые получил водород в твёрдом
состоянии. Для этого он использовал регенеративную охлаждающую машину,
основанную на эффекте

Беда с ним. Он постоянно теряется: «Ученые потеряли единственный в мире образец металлического водорода» . Оно и понятно: получен кубик из молекул: 6х6х6. Просто «гигантские»
объёмы — прям хоть сейчас «заправляй» ракету. Почему-то мне это
напомнило «нанотанк Чубайса» . Это нано-чудо не могут найти уже лет 7 или больше.

По токсичности и коррозионной активности компонентов различают жрт:

*на нетоксичных и некоррозионно-активных компонентах топлива — (02)ж, углеводородные горючие и др.;
*на токсичных и коррозионно-активных компонентах топлива — ММГ, НДМГ и особенно (F2)ж.

По числу используемых компонентов топлива различают одно-, двух- и трехкомпонентные ДУ.В однокомпонентных ДУ, в которых наиболее часто используют вытеснительную подачу.

В
качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки
вспомогательных однокомпонентных ДУ 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.

У
остальных вспомогательных однокомпонентных ДУ перекись водорода
«вытеснена» гидразином, при этом обеспечено увеличение удельного
импульса примерно на 30%.

Широкому применению
гидразина в ЖРД в значительной степени способствовало создание
высоконадежных катализаторов с большим ресурсом, в частности
катализатора «Шелл-405».

Наиболее широко человечество
использует двухкомпонентные ТК, обладающие более высокими
энергетическими характеристиками по сравнению с однокомпонентными. Но
двухкомпонентные ЖРД сложнее по конструкции, чем однокомпонентные. Из-за
наличия баков окислителя и горючего, более сложной системы
трубопроводов и необходимости обеспечения требуемого соотношения
компонентов топлива (коэффициента Кmо).

Трёх компонентные РТ в разработке. Это настоящая экзотика.Патент РФ на трёх-компонентный ЖРД .Схема этого ЖРД .

Такие ЖРД можно классифицировать как многотопливные.ЖРД на трехкомпонентном топливе (фтор водород литий) разрабатывался в ОКБ-456 .

Двухкомпонентные топлива состоят из окислителя и горючего.ЖРД Bristol Siddeley BSSt.1 Stentor: двухкомпонентный ЖРД (H2O2 керосин)

Потрясающий момент отстыковки метеорологического спутника goes-r от разгонного блока centaur ракеты-носителя atlas v 541 ( goes-r spacecraft separation )

Классификация ЖРТ — чаще всего по давлению насыщенных паров или температуре тройной точки , а проще говоря — температуре кипения при нормальном давлении.

Высококипящие компоненты ЖРТ.

Chemical substance имеющие максимальную эксплуатационную температуру, при которой давление насыщенных паров (буду именовать далее Рнп) в баках ракеты существенно ниже допустимого уровня давления в баках по их конструкционной прочности. Пример:

керосин, НДМГ, азотная кислота.

Соответственно они хранятся без особых манипуляций с охлаждением баков.

Мне
лично больше нравится термин -«тара». Хотя это и не совсем корректно,
но зато приближено к бытовому значению. Это, т.н. долгохранящиеся ТК.

Низкокипящие компоненты ЖРТ.

Здесь
уже Рнп близко к максимально допустимому давлению в баках (по критерию
их прочности). Хранение в герметичных баках без специальных мероприятий
мер по охлаждению (и/или захолаживанию) и возврату конденсата нельзя.
Такие же требования (и проблемы) с арматурой ЖРД и трубопроводами
заправки/слива.

Пример:

аммиак, пропан, тетраоксид азота.

Министерство Обороны РФ (МО РФ) считает низкокипящими компонентами все, температура кипения которых ниже 298К при стандартных условиях.

В интервале температур эксплуатации ракетной техники низкокипящие
компоненты обычно находятся в газообразном состоянии. Для содержания
низкокипящих компонентов в жидком состоянии используется специальное
технологическое оборудование.

Криогенные компоненты ЖРТ.

Собственно
говоря, это подкласс низкокипящих компонентов. Т.е. вещества, имеющие
температуру кипения ниже 120К. К криогенным компонентам относятся
сжиженные газы: кислород, водород, фтор и др. Для уменьшения потерь на
испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного
компонента в шугообразном состоянии, в виде смеси твердой и жидкой фаз
этого компонента.

Требуются
специальные меры при транспортировке, заправке (захолаживание баков и
магистралей, теплоизоляция арматуры ЖРД и т.д.) и сливе.

Температура
их критической точки значительно ниже эксплуатационной. Хранение в
герметичных баках РН невозможно или сильно затруднено. Типичные
представители кислород и водород в жидком фазовом состоянии.Далее буду использовать американскую манеру их обозначения LOX и LН2 соответственно.Или так ЖК и ЖВ.Наш «красавчик» РД-0120 (водород-кислород):

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.

Перекись водорода-H2O2.

Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.

Твердая мощь для ракеты

ЛИКБЕЗ

Твердотопливный двигатель или РДТТ (ракетный двигатель твердого топлива) иначе называют твердотопливным ускорителем (ТТУ).
Жидкостный двигатель сокращают как ЖРД (жидкостный ракетный двигатель).

Андрей Рюрикович, заслуженный испытатель космической техники:

Однажды произошла ситуация с американским шаттлом: авария одного из трех жидкостных двигателей на старте. Аварийный и два других жидкостных двигателя удалось выключить до запуска ТТУ. Если бы авария развивалась еще пару секунд и ТТУ включился, катастрофа и гибель экипажа были бы неминуемы.

Твердотопливные двигатели проще в обслуживании. Лежат себе и лежат. Требуется только периодически проверять температуру и влажность в хранилище. Но если он пролежит очень долго, происходит «высыхание» заряда, и в нем появляются трещины, которые при зажигании двигателя резко увеличивают площадь горения топлива, и, соответственно, давление внутри камеры сгорания. Тогда ТТУ превращается в непредсказуемую мину: то ли сработает как надо, то ли разнесет вдребезги себя и все вокруг.

Топливо будущего

Эту проблему могли бы решить ядерные двигатели. Их разработки начались еще в 50-е годы прошлого века в США и СССР. Однако до сих пор ни одна ракета с ядерным двигателем не была запущена. Топливом для него служат уран и плутоний. Энергия распада или синтеза во время ядерных реакций нагревает горючее (водород или аммиак) и позволяет ракете лететь.

Ионный — еще один перспективный вид двигателя. Он состоит из электрического генератора, создающего сильное электрическое поле высокого напряжения. Положительно заряженные ионы газообразных веществ (водорода, гелия, ртути, ксенона, цезия) попадают в электрическое поле и разгоняются до космических скоростей. Затем выбрасываются из сопла, создавая таким образом тягу.

Центр общественных коммуникаций корпорации «РОСКОСМОС»:

— В российской ракетно-космической промышленности используются в основном два вида жидких химических топлив: пара керосин (или его разновидность — нафтил) кислород, которую применяют для ракет-носителей «Союз», «Ангара», «Зенит», и гептил — на ракетах-носителях «Протон», «Рокот», «Днепр». Ведутся перспективные разработки двигателя для работы на топливе водород кислород — ранее этот вид топлива был использован для второй ступени сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия». Еще из перспективных видов ракетного топлива можно назвать метан. 

Возможности химического типа топлива (жидкого, твердого, газа) уже хорошо изучены, и его потенциал используется «на пределе». Поэтому ученые исследуют нехимические двигательные установки: ядерные, ионные, плазменные и подобные. Кое-какие успехи уже достигнуты, однако полностью заменить химическое топливо пока не представляется возможным.

Материал опубликован в журнале NewTone

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.
Они
не так распространены. Главное достоинство горючих группы гидразина —
долгохранимость при использовании высококипящих окислителей.Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят «вонючие» двигатели, то «до замужества» она была боевой ракетой (МБР, БРПЛ или ЗУР — что уже редкость). Химия на службе и армии и гражданки. Исключение,
пожалуй, лишь РН Ariane — творение кооператива: Aérospatiale, Matra
Marconi Space, Alenia, Spazio, DASA и др. Её миновала в «девичестве»
подобная боевая участь. 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. Использование эффекта свободных радикалов-хорошая перспектива. Детонационное горение-возможность для долгожданного прыжка на Марс.
Часть №1 — топлива для ЖРД или жидкие ракетные топлива
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.Как засыпаться на защите курсового проекта, экзамена или сдаче зачёта . / Дмитрий Завистовский Значение
Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы
в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ НДМГ . Важный параметр — коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой «α» с индексом «ок.») и массовое соотношение компонентов Kм. 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.Как
правило, αок.<=1. И вот почему. Зависимости Tk(αок.) и Iуд.(αок.)
нелинейны и для многих топлив последняя имеет максимум при αок. не при
стехиометрическом соотношении компонентов, т.е макс. значения Iуд.
получаются при некотором снижении количества окислителя по отношению к
стехиометрическому.Кратко энтальпия – это энергия. Для статьи важны две её «ипостаси»:Термодинамическая энтальпия-
количество энергии, затраченной на образование вещества из исходных
химических элементов. Для веществ, состоящих из одинаковых молекул (H2, O2 и пр.), она равна нулю.Энтальпия сгорания-
имеет смысл только при условии протекания химической реакции. В
справочниках можно найти экспериментально полученные при нормальных
условиях значения этой величины. Чаще всего для горючих это полное
окисление в среде кислорода, для окислителей – окисление водорода
заданным окислителем. Причем значения могут быть как положительными, так
и отрицательными в зависимости от вида реакции.»Сумму
термодинамической энтальпии и энтальпии сгорания называют полной
энтальпией вещества. Собственно, этой величиной и оперируют при тепловом
расчёте камер ЖРД.» Требования к ЖРТ:-как к источнику энергии;-как
к веществу, которое приходится (на данном уровне развития технологий)
использовать для охлаждения РД и ТНА, иногда к наддуву баков с РТ,
предоставлять ему объём (баки РН) и т.д.;-как к веществу вне ЖРД, т.е. при хранении, транспортировке, заправке, испытаниях, экологической безопасности и т.д.Такая
градация относительна условна, но в принципе отражает суть. Назову эти
требования так: №1, №2, №3. Кто-то может дополнить список в
комментариях.Эти требования классический пример «Лебедь рак и щука» , которые «тянут» создателей РД в разные стороны:
Вывод: топливо или его компоненты должны иметь (или обладать):
1. Наибольшую теплопроизводительность, для получения максимального Iуд.2. Наибольшей плотностью, минимальной токсичностью, стабильностью и дешевизной (в производстве, логистике и утилизации).3.
Наибольшее значение газовой постоянной или наименьшую молекулярную
массу продуктов сгорания, что даст Vмакс истечения и великолепный
удельный импульс тяги.4.Умеренную температуру сгорания (не более
4500К), иначе всё сгорит или прогорит. Не быть взрывоопасными.
Самовоспламеняться при определённых условиях.5. Максимальную скорость сгорания. Это обеспечит минимальный вес и объём КС.6. Минимальный период задержки воспламенения, т.к. плавный и надёжный запуск РД играет значительную роль.Целый
ворох проблем и требований: вязкость, Т плавления и застывания, Т
кипения, испаряемость, упругость пара и скрытая теплота парообразования и
т.д. и т.п. Компромиссы ярко проявляют себя по Iуд.: ТК большой
плотности (керосин LOX), как правило, применяются на нижних ступенях РН,
хотя они и проигрывают тому же LН2 и LOX, которые в свою очередь используются на верхних ступенях РН («Энергия» 11К25). И опять же прекрасная пара LН2 LOX
не может быть использована для дальнего космоса или для долговременного
пребывания на орбите («Вояджер-2», разгонный блок «Бриз-М», МКС и т.д.)