Секретное горючее: Пища богов

Химики назвали пары веществ, самовоспламеняющихся при контакте, «гиперголическими», то есть, в приблизительном переводе с греческого, имеющими чрезмерное сродство друг с другом. Они знали, что лучше всего воспламеняются с азотной кислотой вещества, имеющие в составе, кроме углерода и водорода, азот. Но «лучше» — это насколько?

Задержка самовоспламенения — ключевое свойство для пар химических веществ, которые мы хотим сжечь в ракетном двигателе. Представьте — включили подачу, горючее и окислитель накапливаются в камере, а воспламенения нет! Зато, когда оно наконец происходит, мощный взрыв разносит камеру ЖРД на кусочки. Для определения задержки самовоспламенения разные исследователи строили самые разные по сложности стенды — от двух пипеток, синхронно выдавливающих по капельке окислителя и горючего, до маленьких ракетных двигателей без сопла — форсуночная головка и короткая цилиндрическая труба. Все равно взрывы раздавались очень часто, действуя на нервы, выбивая стекла и повреждая датчики.

Очень быстро был обнаружен «идеальный гиперголь» — гидразин, старый знакомый химиков. Это вещество, имеющее формулу N2H4, по физическим свойствам очень похоже на воду — плотность на несколько процентов больше, температура замерзания 1,5 градуса, кипения 113 градусов, вязкость и все прочее — как у воды, но вот запах…

Гидразин был получен впервые в чистом виде в конце XIX века, а в составе ракетного топлива впервые употреблен немцами в 1933 году, но в качестве сравнительно небольшой добавки для самовоспламенения. Как самостоятельное горючее гидразин был дорог, производство его недостаточно, но, главное, военных не устраивала его температура замерзания — выше, чем у воды! Нужен был «гидразиновый антифриз», и его поиски шли непрерывно. Уж очень гидразин хорош! Вернер фон Браун для запуска первого спутника США «Эксплорер» заменил спирт в ракете «Редстоун» на «гидин» (Hydyne), смесь 60% гидразина и 40% спирта. Такое горючее улучшило энергетику первой ступени, но для достижения необходимых характеристик пришлось удлинить баки.

Гидразин, как и аммиак NH3, состоит только из азота и водорода. Но если при образовании аммиака из элементов энергия выделяется, то при образовании гидразина энергия поглощается — именно поэтому прямой синтез гидразина невозможен. Зато поглощенная при образовании энергия выделится потом при сгорании гидразина в ЖРД и пойдет на повышение удельного импульса — главного показателя совершенства двигателя. Пара кислород-керосин позволяет получить удельную тягу для двигателей первой ступени в районе 300 секунд. Замена жидкого кислорода на азотную кислоту ухудшает эту величину до 220 секунд. Такое ухудшение требует увеличения стартовой массы почти в два раза. Если же заменить керосин гидразином, большую часть этого ухудшения можно «отыграть». Но военным было нужно, чтобы горючее не замерзало, и они требовали альтернативу.

В лаборатории был разработан автономный криогенный дыхательный аппарат замкнутого цикла дыхания АКДА-1, который обеспечивал дыхание человека в загазованной среде или при погружениях на небольшие глубины. Придумать более простую конструкцию было просто невозможно. Аппарат имел два регенератора, пористую насадку, пропитанную жидким кислородом, дыхательный мешок и загубник. При выдохе газ поступал во влагонакопитель, а затем в регенератор, где охлаждался за счет испарения жидкого кислорода. Углекислый газ в выдыхаемом воздухе вымерзал, никаких химических поглотителей не требовалось. Пройдя через второй регенератор, газ нагревался и попадал в дыхательный мешок. При вдохе он вновь проходил через регенераторы, а затем, очищенный от углекислоты и увлажненный во влагонакопителе, поступал к загубнику. Аппарат весом 3 кг обеспечивал дыхание в течение 30 минут. Для работы под водой к дыхательному мешку подсоединялся через редуктор баллон с азотом, что обеспечивало необходимое снижение концентрации кислорода в смеси.

А вот при конструировании аппарата открытого цикла дыхания АКДА-2 конструкторы столкнулись с проблемой. Дело в том, что жидкий воздух представляет собой смесь жидких азота (79%) и кислорода (21%), температуры кипения которых отличаются. Азот кипит при более низкой температуре, поэтому в газовой фазе содержание кислорода составляет всего около 7%, и использовать ее для дыхания нельзя. Нужно забирать из сосуда жидкий воздух, испарять его (газифицировать) с помощью теплообменников и подавать для дыхания к легочному автомату, причем при любом положении сосуда Дьюара. «В харьковских аппаратах для этого использовались качающиеся на сильфонах заборные патрубки и подвижный гравитационный клапан, — говорит Анатолий. — Патрубки во время движения постукивали по стенкам сосуда изнутри, что нервировало водолазов, поэтому мы использовали другое решение. Я ‘подсмотрел’ его у конструкторов космической техники, которые для подвода топлива из баков к двигателям в условиях невесомости используют капиллярный эффект, устанавливая на топливозаборниках специальные ‘губки’. Эксперименты с водой и войлоком показали работоспособность концепции, а для работы с жидким воздухом в итоге был выбран пористый никель с размерами пор 6−10 мкм». Насадки из пористого никеля работали как разделители фаз — они за счет смачиваемости отбирали жидкий воздух, а газовую фазу не пропускали. Две такие насадки в верхней и нижней частях баллона обеспечивали подачу воздуха при любом положении водолаза. Такая система позволила значительно упростить аппарат, оставив только два клапана и убрав редуктор (в АК-5 использовались редуктор и восемь клапанов), что положительно сказалось на его надежности.

Первыми оценили новые аппараты водолазы Михаил Боргуль и Владимир Бернатович. По отзывам испытателей, криоланги не только не уступали обычным аквалангам по простоте и удобству эксплуатации, но и превосходили их по многим параметрам. Аппарат заправлялся жидким воздухом простым переливом из сосудов Дьюара, при этом можно было легко и быстро обеспечить любую концентрацию кислорода. Анатолий Витюк вспоминает: «Мы просто ставили сосуд Дьюара на весы и по весу смешивали необходимые количества жидких газов. Занимало это считанные минуты, но для непосвященных выглядело как алхимические эксперименты — с кипящим воздухом и клубами пара». Еще одним важным достоинством криолангов было то, что в жидком воздухе гарантированно отсутствовали углекислота и угарный газ. При заправке обычных аквалангов для очистки воздуха от этих газов используются специальные фильтры, поскольку под давлением они могут быть смертельны для человека: известен случай, когда Жак-Ив Кусто и его напарник Фредерик Дюма едва не погибли во время погружения в августе 1946 года, из-за того что в баллоны попал угарный газ от выхлопа двигателя компрессора.

Аппарат был очень компактным и легким: скажем, двухбаллонный акваланг имеет объем 14 л и весит более 25 кг, а криоланг с таким же запасом воздуха — 3 л и 4 кг. Разумеется, при погружениях с аквалангом вес на воздухе не играет особой роли, потому что все равно приходится брать множество грузов для компенсации плавучести гидрокостюма. С этой точки зрения небольшой вес криоланга — скорее минус (требуется брать больше грузов), а вот компактность очень полезна при погружениях в тесном пространстве (например, на затонувшие объекты).

Вопреки широко распространенному заблуждению, температура подаваемого из криоланга для дыхания воздуха была не ниже, а выше, чем у акваланга. «Дело в том, что в аквалангах происходит адиабатическое расширение газа, приводящее к его охлаждению, — объясняет Анатолий. — Воздух просто не успевает нагреться до температуры окружающей среды, что не только неприятно, но может приводить даже к обледенению конструкции. Лишь в некоторых моделях ‘морозостойких’ редукторов и легочных автоматов предусмотрены теплообменники, но все равно температура подаваемого воздуха на 5−7° ниже температуры окружающей среды. У нашего криоланга редуктора не было, а развитые теплообменники были обязательной частью конструкции, поэтому температура подаваемого воздуха отличалась от температуры воды всего на 2−3°. Мы эксплуатировали аппараты много лет в самых разных условиях, и я не помню ни одного случая обмерзания».

Впрочем, был у криоланга и один минус. Из-за слабой теплоизоляции баллона примерно за сутки весь воздух улетучивался, и заправлять его следовало непосредственно перед погружением. Но с учетом того, что заправка занимала всего пару минут, это не составляло особой проблемы.

Тем не менее первый в СССР ракетный самолет-перехватчик БИ-1 использовал именно азотную кислоту и керосин. Баки и трубы пришлось делать из монель-металла — сплава никеля и меди. Этот сплав получался «естественным» образом из некоторых полиметаллических руд, поэтому был популярным конструкционным материалом второй трети ХХ века. О его внешнем виде можно судить по металлическим рублям — они сделаны из почти «ракетного» сплава. Во время войны не хватало, однако, не только меди с никелем, но и нержавеющей стали. Приходилось использовать обычную, покрытую для защиты хромом. Но тонкий слой быстро проедался кислотой, поэтому после каждого запуска двигателя остатки топливной смеси приходилось скребками удалять из камеры сгорания — техники поневоле вдыхали ядовитые испарения. Один из пионеров ракетной техники Борис Черток однажды едва не погиб при взрыве двигателя для БИ-1 на стенде, этот эпизод он описал в своей замечательной книге «Ракеты и люди».

Помимо добавок, снижающих агрессивность азотной кислоты, в нее пытались добавлять разные вещества, чтобы повысить ее эффективность как окислителя. Наиболее результативным веществом была двуокись азота, еще одно «странное» соединение. Обычно — газ бурого цвета, с резким неприятным запахом, но стоит его слегка охладить, он сжижается и две молекулы двуокиси склеиваются в одну. Поэтому соединение часто называют четырехокисью азота, или азотным тетраоксидом — АТ. При атмосферном давлении АТ кипит при комнатной температуре ( 21 градус), а при -11 градусах замерзает. Чем ближе к точке замерзания, тем бледнее цвет соединения, становящегося под конец бледно-желтым, а в твердом состоянии — почти бесцветным. Это оттого, что газ состоит в основном из молекул NO2, жидкость — из смеси NO2 и димеров N2O4, а в твердом веществе остаются одни только бесцветные димеры.

Добавка АТ в азотную кислоту увеличивает эффективность окислителя сразу по многим причинам — АТ содержит меньше «балласта», связывает попадающую в окислитель воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты. Самое интересное, что с растворением АТ в АК плотность раствора сначала растет и достигает максимума при 14% растворенного АТ. Именно этот вариант состава и выбрали американские ракетчики для своих боевых ракет. Наши же стремились повысить характеристики двигателей любой ценой, поэтому в окислителях АК-20 и АК-27 было по 20% и 27% соответственно растворенного азотного тетраоксида. Первый окислитель использовался в зенитных ракетах, а второй — в баллистических. КБ Янгеля создало ракету средней дальности Р-12, которая использовала АК-27 и специальный сорт керосина ТМ-185.

Баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, созданные под руководством Сергея Королева, не только показали перспективность этого вида оружия, но и дали понять, что жидкий кислород не очень подходит для боевых ракет. Несмотря на то, что Р-5М была первой ракетой с ядерной боеголовкой, а в 1955 году даже было произведено реальное испытание с подрывом ядерного заряда, военных не устраивало, что ракету нужно заправлять непосредственно перед стартом. Требовалась замена жидкому кислороду, замена полноценная, такая, чтоб и в сибирские морозы не замерзала, и в каракумскую жару не выкипала: то есть с диапазоном температур от -55 градусов до  55 градусов Цельсия. Правда, с кипением в баках проблем не ожидалось, так как давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения больше. Но кислород ни при каком давлении не будет жидким при температуре выше критической, то есть -113 градусов Цельсия. А таких морозов даже в Антарктиде не бывает.

Азотная кислота HNO3 — другой очевидный окислитель для ЖРД, и ее использование в ракетной технике шло параллельно с жидким кислородом. Соли азотной кислоты — нитраты, особенно калийная селитра — уже много веков использовались как окислитель самого первого ракетного топлива — черного пороха.

Молекула азотной кислоты содержит как балласт лишь один атом азота да «половинку» молекулы воды, а два с половиной атома кислорода могут быть использованы для окисления горючего. Но азотная кислота — очень «хитрое» вещество, настолько странное, что непрерывно реагирует само с собой — атомы водорода от одной молекулы кислоты отщепляются и прицепляются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Из-за этого в азотной кислоте обязательно образуются разного рода примеси.

Кроме того, азотная кислота очевидно не удовлетворяет требованиям совместимости с конструкционными материалами — под нее специально приходится подбирать металл для баков, труб, камер ЖРД. Тем не менее «азотка» стала популярным окислителем еще в 1930-е годы — она дешева, производится в больших количествах, достаточно стабильна, чтобы ею можно было охлаждать камеру двигателя, пожаро- и взрывобезопасна. Плотность ее заметно больше, чем у жидкого кислорода, но главное ее достоинство по сравнению с жидким кислородом состоит в том, что она не выкипает, не требует теплоизоляции, может неограниченно долго храниться в подходящей таре. Только где ее взять, подходящую тару?

Все 1930-е и 1940-е годы прошли под знаменем поиска подходящих емкостей для азотной кислоты. Но даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушались концентрированной азоткой, в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов, который, конечно же, нельзя подавать в ракетный двигатель — он мгновенно забьется и взорвется.

Для уменьшения коррозионной активности азотной кислоты в нее стали добавлять различные вещества, пытаясь, зачастую методом проб и ошибок, найти комбинацию, которая бы, с одной стороны, не испортила окислитель, с другой — сделала его более удобным в использовании. Но удачная добавка была найдена только в конце 1950-х американскими химиками — оказалось, что всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз! Советские химики задержались с этим открытием лет на десять-пятнадцать.