Классификация Ракетного топлива
Ракетное топливо в наше время разделяют на две категории: жидкое ракетное топливо и твердое ракетное топливо. Питаемый жидким ракетным топливом реактивный двигатель, имеет колоссальную мощность и скорость, несравнимую ни с чем в данный момент на нашей планете. Твердое ракетное топливо и соответственно двигатель существенно отличается от реактивного двигателя на жидком топливе в его базовой конструкции. В некотором смысле он напоминает огромный фейерверк управляемого сгорания, содержащий окислитель, смешанный в с порошком.
Жидкое ракетное топливо состоит из самого топлива и окислителя. Топливо в ракетном двигателе — почти копия реактивного топлива, а окислитель в ракетном двигателе — копия воздуха, который позволяет топливу сгорать в реактивном двигателе. Все топливо ракетного двигателя — это прежде всего керосин, водород (сжижаемый для хранения в бортовых резервуарах), и состав азота/водорода, названный гидразином (N2H4). В случае керосина и водородного топлива, кислород (сжижаемый для хранения в бортовых резервуарах) формирует окислитель. Этот сжижаемый кислород иногда символично называют акронимом.
Если топливо — гидразин, окислитель — состав азота/кислорода, названный четырехокисью азота (N2O4).
Горящее самым чистым образом жидкое ракетное топливо — это водород, который при объединении с кислородом, приводит только энергию и водной пар. Керосин при использовании в качестве жидкого ракетного топлива, после усовершенствования содержит небольшое количество примесей, газы CO2 — неизбежный побочный продукт сгорания такого топлива из-за углеродистых атомов в его молекулах. Гидразин и четырехокись азота приводят к значительным количествам азота, когда они реагируют. Этот газ не ядовит, и фактически составляет почти три четверти состава атмосферы земли.
Самое раннее твердое ракетное топливо было подобно пороху, и использовалось в фейерверке и вооружении. Сегодня, этот тип топлива используется в модельных ракетах. Типичная модель — ракетный двигатель — маленький цилиндр заполненный материалом идентичным пороху. Такая модель возгорается посредством искры в течение секунды. Движение, обеспеченное небольшим двигателем как этот, может продвинуть маленькую ракету ( 0.5 м. ) к высоте нескольких сотен метров, однако такая ракета после истощения топлива, незамедлительно падает.
Твердое ракетное топливо содержит топливо, окислитель, и катализатор, который облегчает устойчивое, надежное сгорание топлива после воспламенения. Эти топливные элементы — все первоначально в измельченной форме. Они смешаны и упакованы однородно, чтобы гарантировать и поддерживать сгорание. Вооруженные силы использует ракетный двигатель на твердом ракетном топливе, которое содержит древесный уголь (углерод) как топливо, нитрат калия как окислитель, и сера как катализатор. Эту комбинацию называют дымным порохом. Альтернативные материалы, которые могут использоваться, чтобы создать твердое ракетное топливо это хлорат натрия, хлорат калия, измельченный магний, или измельченный алюминий. Комбинации этих веществ называют белым порохом.
Ракетное топливо
Добрый день, дорогие читатели блога #КосмосИзДома! Сегодня с вами ведущий экскурсовод центра «Космонавтика и авиация» Анастасия Стебалина.
Итак, вы собираетесь в космос. Для этого необходимо использовать ракету. Но вот ведь незадача — после заправки АИ-95 на ближайшей АЗС она только вяло чихает и лететь никуда не собирается. В чем же дело?
Каждая уважающая себя современная ракета не может использовать в качестве топлива обычный бензин, но так дела обстояли не всегда. На заре отечественного ракетостроения в Москве работала Группа изучения реактивного движения (ГИРД), где и создавались первые ракеты. В ход шли в буквальном смысле подручные средства, и топлива это тоже касалось. К примеру, ракета ГИРД-09 летала на бензине, но даже ее не представлялось возможным просто заправить на бензоколонке. Чтобы процесс горения топлива протекал более равномерно, в бензин добавляли канифоль для его сгущения, и вот такой «сгущенкой» ракета вполне успешно «питалась».
Ракета ГИРД-09
Необходимость в большей эффективности ракет и развитие химической промышленности подтолкнули к поискам новых видов топлива. Инженеры могли использовать в своих целях энергию, которая выделяется в ходе химических реакций. Наиболее выгодными с этой точки зрения оказались реакции водорода со фтором. Эксперименты показали высокую эффективность фторводородного топлива, однако оно не нашло массового применения в связи с тем, что побочные продукты реакции оказывались ядовитыми и крайне опасными.
Чуть менее эффективна в энергетическом плане реакция водорода с кислородом. Казалось бы, с этим топливом не должно возникнуть проблем наподобие тех, с которыми инженеры столкнулись при использовании фтора: самый страшный продукт реакции здесь — вода. Тем не менее для поддержания водорода в необходимом для работы жидком состоянии его требуется охлаждать до -252 градусов, а это достаточно трудоемко. Кроме того, этот вид топлива весьма взрывоопасен.
Ракета «Фау-2»
Поиски топлива, способного достаточно равномерно гореть и при этом не взрываться, привели конструкторов к идее использовать спирт (не внутрь). Знаменитое детище Вернера фон Брауна «Фау-2» как раз использовало такое топливо. Окислителем в данном случае был жидкий кислород. Одна из первых ракет С. П. Королёва Р-1 по сути создавалась по образу и подобию «Фау-2» и тоже заправлялась спиртом. Отношение к такому топливу было неоднозначным. Среди минусов можно выделить его низкую эффективность и большой расход достаточно ценного с точки зрения многих ресурса.
Ракета Р-1
Настоящим прорывом в ракетостроении становится создание двигателей, использующих в качестве горючего керосин. Наконец найден баланс между эффективностью и безопасностью. Этот вид топлива используется с 50-х годов прошлого века и по сей день. Запуски пилотируемых космических кораблей «Союз» осуществляются только при помощи ракет, летающих на керосине. Без минусов все же не обошлось и здесь. В паре с керосином в качестве окислителя используется кислород, который необходимо поддерживать в жидком состоянии. Для этого не требуются настолько низкие температуры, как для сжижения водорода, но необходимые -190 градусов поддерживать тоже трудно. Помимо того, если мы заправим ракету и сразу же осуществим ее пуск, все будет хорошо, но стоит ей постоять на стартовой площадке пару суток (например, старт приходится переносить из-за плохой погоды), и в таком случае весь наш жидкий кислород испарится. Придется снова заправлять ракету, причем не просто добавлять новый кислород, а сливать керосин и заливать оба компонента топлива заново.
Керосин-кислородный ракетный двигатель РД-170 в экспозиции центра «Космонавтика и авиация»
Допустим, это не так страшно, если это происходит разово. Но ракеты существуют для решения целого класса задач, не только для отправки в космос людей или спутников. Межконтинентальные баллистические ракеты, к примеру, должны находиться на непрерывном боевом дежурстве. Нужно ли будет осуществлять пуск такой ракеты завтра? Или через пять лет? Мы не знаем наверняка, но в нужный момент она должна быть готова к работе. Требуется такое топливо, которое нет необходимости сливать и обновлять раз в два дня: один раз заправили — и ракета стоит готовая к старту годами.
Такое топливо тоже было найдено, и зовется оно гидразин. С годами химические эксперименты позволили создать более эффективного его «собрата» — несимметричный диметилгидразин, в простонародье гептил. В паре с гептилом в качестве окислителя можно использовать высококипящие (то есть не требующие захолаживания, как в случае с кислородом) соединения азота. Ракета стоит годами при комнатной температуре, заправленная таким топливом, и чувствует себя прекрасно.
Макеты ракет-носителей семейства «Протон» в центре «Космонавтика и авиация»
Гептил используют не только для боевых ракет. Таким горючим заправляют грузовые ракеты «Протон», которые служат для вывода на орбиту тяжелых модулей пилотируемых комплексов, геостационарных спутников и автоматических межпланетных станций. Отчего же на такое удобное топливо не перейдут все ракеты? Ответ прост: оно весьма ядовитое. Аварии с разливом гептила — это верная экологическая катастрофа. Так как такое топливо не очень полезно для всего живого, то в нашей стране для пилотируемых полетов ракеты, летающие на гептиле, не используются в целях безопасности.
Все описанные выше виды топлива жидкие, но существует и твердое ракетное топливо. К примеру, американские «Шаттлы» выводились на орбиту как раз с использованием твердотопливных ускорителей. Твердое топливо можно считать самым ранним из всех, ведь одна из главных его разновидностей — порох, известный еще с древнейших времен. Пороховые двигатели сейчас используют, например, для мягкой посадки спускаемых аппаратов транспортных космических кораблей.
Старт «Спейс Шаттла»
На десерт оставим сладкое — rocket candy, «ракетные конфеты». Более распространенный перевод этого термина — карамельное топливо. Это твердое топливо оправдывает свое название, ведь делается оно на основе сахара. Если когда-нибудь вы все же решитесь отправить в полет собственную небольшую «любительскую» ракету, проще всего будет «накормить» ее именно таким сладким топливом.
Мы кратко обсудили лишь некоторые, самые распространенные виды ракетного топлива. Способов выработки энергии не только для вывода на орбиту, но и для поддержания работы космических аппаратов великое множество. Чтобы узнать больше о солнечных батареях, двигателях ориентации орбитальных станций, перспективах использования ядерных и ионных двигателей, приходите на экскурсии центра «Космонавтика и авиация» на ВДНХ!
Ракетное топливо
Если по -простому, то отличие ракетного топлива от автомобильного в том, что автомобили используют обычный воздух, смешанный с кислородом, для сжигания топлива, а ракеты используют только кислород в качестве окислителя.
- обеспечивает отрыв массы от стартового ствола;
- реактивную тягу для движения ракеты в заданном направлении;
- ускорение.
- самый легкодоступный элемент на Земле, а его запасы почти неограничены;
- водород можно легко получить простым электролизом воды;
- это также чистый источник энергии, свободный от загрязняющих веществ после сгорания. После сгорания остается вода;
- с развитием науки и техники постепенно преодолеваются различные сложные технические проблемы.
- в США и Японии предпочитают использовать жидкий водород;
- И. Маск рекомендует сжиженный метан:
- он поведал об этом в плане полетов на Марс SpaceX,
- в планах использовать ресурсы, которыми изобилует Марс, для производства метанового газа, его сжижения и использования в качестве ракетного топлива,
- он уже разработал двигатель и провел испытания горения;
Отличие ракетного топлива от автомобильного в том, что автомобили используют обычный воздух, смешанный с кислородом, для сжигания топлива, а ракеты используют только кислород в качестве окислителя.
- жидкое — все компоненты (горючее и окислитель)находятся в жидком состоянии:
- окислителем может быть жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота с 15–20 % окислов азота, четырехокись азота, тетранитрометан, фтор и его смеси с жидким кислородом,
- горючим — 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,
- закачиваются в камеру сгорания по отдельности и позже смешиваются,
- в зависимости от типа участвующих в реакции окисления компонентов такое топливо может быть:
- самовоспламеняющимся ракетным топливом,
- несамовоспламеняющимся ракетным топливом. Для химического зажигания основного топлива используют пусковое топливо;
- двухосновные (иначе их называют гомогенными), представляет собой твердый раствор. Чаще всего нитроцеллюлозы в нитроглицерине. Исторически в состав смесевого твердого топлива входил порох, но теперь в нем содержатся перохлорат аммония, мелкодисперсный сферический порошок алюминия или магния и органический полимер.
- смесевые;
- могут сочетаться твердый окислитель и жидкое горючее или наоборот.
- однокомпонентное — при сгорании не нуждается в подаче окислителя извне,
- двухкомпонентное — состоит из горючего и окислителя.
- Химическое ракетное топливо — в результате химической реакции окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты (рабочее тело), создающие реактивную тягу при их истечении из РД;
- Ядерное ракетное топливо — вещество (или совокупность веществ), используемое в реакторах ядерных ракетных двигателей для осуществления ядерной цепной реакции деления (в перспективе синтеза и, может быть, аннигиляции).
твердое ракетное топливо
Первые виды твердого ракетного топлива были похожи на оружейный порох и использовались в военной технике, а также при запуске фейерверков. В настоящее время такое топливо применяется только для моделей ракет. Типичный двигатель для модели ракеты — это маленький цилиндр размером с палец, начиненный материалом, похожим на порох. Он поджигается горячей проволокой и горит 1—2 секунды. Благодаря тяге, которая обеспечивается таким маленьким двигателем, можно запустить маленькую ракету (длиной около 0,5 м) на высоту несколько сотен метров, если, конечно, ракете дать возможность стартовать после того, как топливо начнет гореть.
Базовое твердое топливо содержит горючее, окислитель и катализатор, который способствует поддержанию устойчивого горения после воспламенения. Эти составляющие топлива в исходном состоянии находятся в виде порошка. Затем из них создается однородная плотная смесь, чтобы обеспечить ровное, непрерывное, длительное горение. Типичный твердотопливный двигатель военной ракеты работает на смеси древесного угля — углерода (в качестве горючего), нитрата калия (в качестве окислителя) и серы (в качестве катализатора). Эта комбинация называется черным порохом. Другая комбинация материалов, которую можно использовать, чтобы сделать твердое топливо для ракеты, включает хлорат натрия, хлорат калия (бертолетову соль), порошок магнезии или порошок алюминия. Смесь этих веществ называют белым порохом.
Как работает ракетный двигатель на твердом топливе
Как только происходит воспламенение, топливо начинает гореть с управляемой скоростью, обеспечивая тягу, так как продукты горения в виде горячего газа выбрасываются через сопло (открытое отверстие сзади).
После того как в двигателе поджигается топливо, оно горит до тех пор, пока не закончится. Нет никакой возможности выключить двигатель или остановить горение топлива, пока цикл не завершится. Это можно считать недостатком твердотопливных двигателей в сравнении с двигателями на жидком топливе. Однако в реальных космических аппаратах твердое топливо применяется обычно только для начальных стадий полета, а на конечной стадии оно не используется, поэтому на практике это не становится существенной проблемой.