Nhiên liệu tên lửa chứa nhiên liệu và chất oxy hóa, không giống như nhiên liệu máy bay, không cần thành phần bên ngoài: không khí hoặc nước. Nhiên liệu tên lửa, theo trạng thái tập hợp của chúng, được chia thành lỏng, rắn và lai. Nhiên liệu lỏng được chia thành đông lạnh (với nhiệt độ sôi của các thành phần dưới 0 độ C) và sôi cao (phần còn lại). Nhiên liệu rắn bao gồm một hợp chất hóa học, một dung dịch rắn hoặc một hỗn hợp dẻo của các thành phần. Nhiên liệu lai bao gồm các thành phần ở các trạng thái tổng hợp khác nhau và hiện đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Trong lịch sử, nhiên liệu tên lửa đầu tiên là bột đen, hỗn hợp của chất khử muối, than (nhiên liệu) và lưu huỳnh (chất kết dính), lần đầu tiên được sử dụng trong tên lửa Trung Quốc vào thế kỷ thứ 2 sau Công nguyên. Đạn với động cơ tên lửa đẩy rắn (solid propellant rocket engine) được sử dụng trong quân sự như một phương tiện gây cháy và phát tín hiệu.
Sau khi phát minh ra bột không khói vào cuối thế kỷ 19, nhiên liệu ballistit một thành phần được phát triển trên cơ sở của nó, bao gồm dung dịch rắn của nitrocellulose (nhiên liệu) trong nitroglycerin (một chất oxy hóa). Nhiên liệu Ballistit có bội số năng lượng cao hơn so với bột đen, có độ bền cơ học cao, được hình thành tốt, giữ được tính ổn định hóa học trong thời gian dài trong quá trình bảo quản và giá thành rẻ. Những phẩm chất này đã xác định trước việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu đạn đạo trong loại đạn khổng lồ nhất được trang bị thuốc phóng rắn - tên lửa và lựu đạn.
Sự phát triển trong nửa đầu thế kỷ XX của các ngành khoa học như động lực học khí, vật lý đốt cháy và hóa học của các hợp chất năng lượng cao đã cho phép mở rộng thành phần của nhiên liệu tên lửa thông qua việc sử dụng các thành phần chất lỏng. Tên lửa chiến đấu đầu tiên có động cơ tên lửa đẩy chất lỏng (LPRE) "V-2" sử dụng chất ôxy hóa đông lạnh - ôxy lỏng và nhiên liệu sôi cao - rượu etylic.
Sau Chiến tranh thế giới thứ hai, vũ khí tên lửa được ưu tiên phát triển hơn các loại vũ khí khác do khả năng phóng hạt nhân tới mục tiêu ở bất kỳ khoảng cách nào - từ vài km (hệ thống tên lửa) đến tầm liên lục địa (tên lửa đạn đạo). Ngoài ra, vũ khí tên lửa đã thay thế đáng kể vũ khí pháo binh trong lực lượng hàng không, phòng không, mặt đất và hải quân do không có lực giật khi phóng đạn bằng động cơ tên lửa.
Đồng thời với nhiên liệu tên lửa đạn đạo và tên lửa lỏng, các động cơ tên lửa rắn hỗn hợp đa thành phần được phát triển để phù hợp nhất cho việc sử dụng quân sự do phạm vi hoạt động nhiệt độ rộng của chúng, loại bỏ nguy cơ tràn thành phần, giảm chi phí động cơ tên lửa đẩy rắn do không có đường ống, van và máy bơm có lực đẩy cao hơn trên một đơn vị trọng lượng.
Các đặc điểm chính của nhiên liệu tên lửa
Ngoài trạng thái tổng hợp của các thành phần của nó, nhiên liệu tên lửa được đặc trưng bởi các chỉ số sau:
- xung lực riêng của lực đẩy;
- ổn định nhiệt;
- ổn định hóa học;
- độc tính sinh học;
- Tỉ trọng;
- khói.
Xung lực đẩy riêng của nhiên liệu tên lửa phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt của động cơ, cũng như thành phần phân tử của các sản phẩm cháy. Ngoài ra, xung cụ thể phụ thuộc vào tỷ lệ giãn nở của vòi phun động cơ, nhưng điều này liên quan nhiều hơn đến môi trường bên ngoài của công nghệ tên lửa (khí quyển hoặc không gian bên ngoài).
Tăng áp suất được cung cấp thông qua việc sử dụng các vật liệu cấu trúc có độ bền cao (hợp kim thép cho động cơ tên lửa và nhựa hữu cơ cho động cơ đẩy rắn). Về khía cạnh này, động cơ tên lửa đẩy chất lỏng đi trước động cơ đẩy rắn do bộ phận đẩy của chúng nhỏ gọn hơn so với phần thân của động cơ nhiên liệu rắn, là một buồng đốt lớn.
Nhiệt độ cao của các sản phẩm cháy đạt được bằng cách thêm nhôm kim loại hoặc hợp chất hóa học - nhôm hydrua vào nhiên liệu rắn. Nhiên liệu lỏng chỉ có thể sử dụng các chất phụ gia này nếu chúng được làm đặc bằng các chất phụ gia đặc biệt. Khả năng bảo vệ nhiệt của động cơ tên lửa đẩy chất lỏng được cung cấp bằng cách làm mát bằng nhiên liệu, bảo vệ nhiệt của động cơ đẩy rắn - bằng cách gắn chặt khối nhiên liệu vào thành động cơ và sử dụng bộ chèn đầu đốt làm bằng composite cacbon-cacbon trong phần quan trọng của vòi phun.
Thành phần phân tử của các sản phẩm cháy / phân hủy của nhiên liệu ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy và trạng thái kết tụ của chúng ở lối ra vòi phun. Trọng lượng của các phân tử càng thấp, tốc độ dòng chảy càng cao: các sản phẩm cháy được ưu tiên nhất là các phân tử nước, tiếp theo là nitơ, carbon dioxide, oxit clo và các halogen khác; ít được ưu tiên nhất là alumin, chất này ngưng tụ thành chất rắn trong vòi phun của động cơ, do đó làm giảm thể tích khí nở ra. Ngoài ra, phần oxit nhôm buộc việc sử dụng các đầu phun hình nón do sự mài mòn của các đầu phun Laval hình parabol hiệu quả nhất.
Đối với nhiên liệu tên lửa quân sự, độ ổn định nhiệt của chúng có tầm quan trọng đặc biệt do phạm vi nhiệt độ rộng của hoạt động công nghệ tên lửa. Do đó, nhiên liệu lỏng đông lạnh (oxy + dầu hỏa và oxy + hydro) chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (R-7 và Titan), cũng như để phóng các phương tiện vũ trụ có thể tái sử dụng (Tàu con thoi và Energia) nhằm mục đích phóng vệ tinh và vũ khí không gian vào quỹ đạo trái đất thấp.
Hiện tại, quân đội sử dụng độc quyền nhiên liệu lỏng có độ sôi cao dựa trên nitơ tetroxide (AT, chất oxy hóa) và dimethylhydrazine không đối xứng (UDMH, nhiên liệu). Độ bền nhiệt của cặp nhiên liệu này được xác định bằng điểm sôi AT (+ 21 ° C), giới hạn việc sử dụng nhiên liệu này của tên lửa trong điều kiện điều nhiệt trong hầm chứa tên lửa ICBM và SLBM. Do sự linh hoạt của các thành phần, công nghệ sản xuất và vận hành xe tăng tên lửa của họ chỉ được / thuộc sở hữu của một quốc gia trên thế giới - Liên Xô / RF (ICBM "Voevoda" và "Sarmat", SLBM "Sineva" và " Lót "). Ngoại lệ, AT + NDMG được sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa hành trình trên máy bay Kh-22 Tempest, nhưng do các vấn đề về hoạt động trên mặt đất, Kh-22 và thế hệ tiếp theo của chúng là Kh-32 được lên kế hoạch thay thế bằng động cơ phản lực. Tên lửa hành trình Zircon sử dụng dầu hỏa làm nhiên liệu.
Độ bền nhiệt của nhiên liệu rắn chủ yếu được xác định bởi các đặc tính tương ứng của dung môi và chất kết dính polyme. Trong thành phần của nhiên liệu ballistit, dung môi là nitroglycerin, trong dung dịch rắn có nitrocellulose có dải nhiệt độ hoạt động từ âm đến cộng 50 ° C. Trong nhiên liệu hỗn hợp, các loại cao su tổng hợp khác nhau có cùng dải nhiệt độ hoạt động được sử dụng làm chất kết dính polyme. Tuy nhiên, độ bền nhiệt của các thành phần chính của nhiên liệu rắn (amoni dinitramide + 97 ° C, nhôm hydrua + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, amoni peclorat và HMX + 200 ° C) vượt quá đáng kể tính chất tương tự của các chất kết dính đã biết, và do đó nó là tìm kiếm có liên quan cho các sáng tác mới của họ.
Cặp nhiên liệu ổn định về mặt hóa học nhất là AT + UDMG, vì nó đã được phát triển cho nó một công nghệ duy nhất trong nước về lưu trữ ampul hóa trong các bình nhôm dưới áp suất nitơ thừa nhẹ trong thời gian gần như không giới hạn. Tất cả các nhiên liệu rắn đều bị phân hủy hóa học theo thời gian do sự phân hủy tự phát của các polyme và dung môi công nghệ của chúng, sau đó các oligome tham gia vào các phản ứng hóa học với các thành phần nhiên liệu khác ổn định hơn. Vì vậy, rô tuyn đẩy rắn cần được thay thế thường xuyên.
Thành phần độc hại sinh học của nhiên liệu tên lửa là UDMH, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, màng nhầy của mắt và đường tiêu hóa của con người, và gây ung thư. Về vấn đề này, làm việc với UDMH được thực hiện trong việc cách ly các bộ quần áo bảo hộ chống hóa chất với việc sử dụng thiết bị thở khép kín.
Giá trị của mật độ nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng của thùng nhiên liệu LPRE và thân tên lửa đẩy chất rắn: mật độ càng cao thì khối lượng ký sinh của tên lửa càng ít. Mật độ thấp nhất của cặp nhiên liệu hydro + oxy là 0,34 g / cu. cm, cặp dầu hỏa + oxi có khối lượng riêng 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycerin - 1,62 g / cu. cm, nhôm / nhôm hydrua + perchlorate / amoni dinitramide - 1,7 g / cc, HMX + amoni perchlorate - 1,9 g / cc. Trong trường hợp này, cần lưu ý rằng động cơ tên lửa đẩy chất rắn đốt trục, mật độ của nhiên liệu nạp nhỏ hơn khoảng hai lần so với mật độ của nhiên liệu do phần hình sao của kênh đốt, được sử dụng để duy trì áp suất không đổi trong buồng đốt, bất kể mức độ đốt cháy nhiên liệu. Điều tương tự cũng áp dụng đối với nhiên liệu đạn đạo, được tạo thành như một bộ đai hoặc que để rút ngắn thời gian cháy và khoảng cách gia tốc của tên lửa và tên lửa. Ngược lại với chúng, mật độ của nhiên liệu nạp trong động cơ tên lửa đẩy bằng nhiên liệu rắn đốt cuối dựa trên HMX trùng với mật độ tối đa được chỉ định cho nó.
Đặc điểm cuối cùng của nhiên liệu tên lửa là khói của các sản phẩm cháy, thể hiện trực quan đường bay của tên lửa và tên lửa. Tính năng này vốn có trong nhiên liệu rắn có chứa nhôm, các oxit của chúng được ngưng tụ thành trạng thái rắn trong quá trình giãn nở trong vòi phun của động cơ tên lửa. Do đó, những nhiên liệu này được sử dụng trong các động cơ đẩy rắn của tên lửa đạn đạo, phần quỹ đạo hoạt động của nó nằm ngoài tầm ngắm của kẻ thù. Tên lửa máy bay được cung cấp nhiên liệu HMX và amoni peclorat, tên lửa, lựu đạn và tên lửa chống tăng - bằng nhiên liệu đạn đạo.
Năng lượng của nhiên liệu tên lửa
Để so sánh khả năng năng lượng của các loại nhiên liệu tên lửa khác nhau, cần thiết lập các điều kiện đốt cháy tương đương cho chúng dưới dạng áp suất trong buồng đốt và tỷ lệ giãn nở của vòi phun động cơ tên lửa - ví dụ: 150 atm và 300 lần sự bành trướng. Sau đó, đối với các cặp nhiên liệu / bộ ba, xung cụ thể sẽ là:
oxy + hydro - 4,4 km / s;
ôxy + dầu hỏa - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
amoni dinitramide + hydro hydrua + HMX - 3,2 km / s;
amoni peclorat + nhôm + HMX - 3,1 km / s;
amoni peclorat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycerin - 2,5 km / s.
Nhiên liệu rắn dựa trên amoni dinitramide là sản phẩm phát triển trong nước vào cuối những năm 1980, nó được sử dụng làm nhiên liệu cho giai đoạn thứ hai và thứ ba của tên lửa RT-23 UTTKh và R-39 và vẫn chưa bị các mẫu tốt nhất vượt qua về đặc tính năng lượng. nhiên liệu nước ngoài dựa trên amoni peclorat. được sử dụng trong tên lửa Minuteman-3 và Trident-2. Amoni dinitramide là một chất nổ có thể phát nổ ngay cả từ bức xạ ánh sáng; do đó, việc sản xuất nó được thực hiện trong các phòng được chiếu sáng bằng đèn đỏ công suất thấp. Những khó khăn về công nghệ không cho phép làm chủ quy trình sản xuất nhiên liệu tên lửa trên cơ sở nó ở bất kỳ đâu trên thế giới, ngoại trừ Liên Xô. Một điều nữa là công nghệ của Liên Xô chỉ được thực hiện thường xuyên tại nhà máy hóa chất Pavlograd, nằm trong vùng Dnepropetrovsk của SSR Ukraine, và đã bị thất truyền vào những năm 1990 sau khi nhà máy này được chuyển sang sản xuất hóa chất gia dụng. Tuy nhiên, dựa trên các đặc tính kỹ chiến thuật của vũ khí đầy hứa hẹn kiểu RS-26 "Rubezh", công nghệ này đã được Nga khôi phục vào những năm 2010.
Một ví dụ về thành phần có hiệu quả cao là thành phần của nhiên liệu tên lửa rắn từ bằng sáng chế của Nga số 2241693, thuộc sở hữu của Nhà máy Perm Xí nghiệp Đơn vị Nhà nước Liên bang mang tên CM. Kirov :
chất oxy hóa - amoni dinitramide, 58%;
nhiên liệu - nhôm hydrua, 27%;
chất hóa dẻo - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
chất kết dính - cao su polybutadiene nitrile, 2, 25%;
chất làm cứng - lưu huỳnh, 1,49%;
chất ổn định cháy - nhôm siêu mịn, 0,01%;
phụ gia - muội than, lecithin, v.v.
Triển vọng phát triển nhiên liệu tên lửa
Các hướng chính để phát triển nhiên liệu tên lửa lỏng là (theo thứ tự ưu tiên thực hiện):
- việc sử dụng oxy siêu lạnh để tăng mật độ của chất oxy hóa;
- chuyển sang dạng hơi nhiên liệu ôxy + mêtan, thành phần dễ cháy của nó có năng lượng cao hơn 15% và khả năng tỏa nhiệt tốt hơn dầu hỏa 6 lần, có tính đến thực tế là các thùng nhôm bị cứng ở nhiệt độ của mêtan lỏng;
- bổ sung ôzôn vào thành phần ôxy ở mức 24% để tăng nhiệt độ sôi và năng lượng của chất ôxy hóa (một tỷ lệ lớn ôzôn gây nổ);
- sử dụng nhiên liệu thixotropic (đặc), các thành phần của chúng chứa huyền phù pentaboran, pentaflorua, kim loại hoặc hyđrua của chúng.
Oxy siêu lạnh đã được sử dụng trong phương tiện phóng Falcon 9; động cơ tên lửa chạy bằng nhiên liệu oxy + mêtan đang được phát triển ở Nga và Hoa Kỳ.
Hướng chính trong sự phát triển của nhiên liệu tên lửa rắn là chuyển đổi sang chất kết dính hoạt tính có chứa oxy trong phân tử của chúng, giúp cải thiện sự cân bằng oxy hóa của toàn bộ chất đẩy rắn. Một mẫu trong nước hiện đại của chất kết dính như vậy là thành phần polyme "Nika-M", bao gồm các nhóm tuần hoàn của dinitril đioxit và butylenediol polyetherurethane, được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Nhà nước "Kristall" (Dzerzhinsk).
Một hướng đi đầy hứa hẹn khác là mở rộng phạm vi sử dụng của chất nổ nitramine, chúng có cân bằng oxy cao hơn so với HMX (trừ 22%). Trước hết, đây là hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, cân bằng oxy trừ 10%) và octanitrocubane (cân bằng oxy bằng không), triển vọng phụ thuộc vào việc giảm chi phí sản xuất - hiện tại Cl-20 là một đơn hàng có mức độ đắt hơn so với HMX, octonitrocubane là một bậc đắt hơn Cl -twenty.
Ngoài việc cải tiến các loại thành phần đã biết, nghiên cứu cũng đang được thực hiện theo hướng tạo ra các hợp chất polyme, các phân tử của chúng chỉ bao gồm các nguyên tử nitơ được nối với nhau bằng các liên kết đơn. Là kết quả của sự phân hủy hợp chất polyme dưới tác dụng của nhiệt, nitơ tạo thành các phân tử đơn giản gồm hai nguyên tử được nối với nhau bằng liên kết ba. Năng lượng giải phóng trong trường hợp này gấp đôi năng lượng của thuốc nổ nitramine. Lần đầu tiên, các hợp chất nitơ có mạng tinh thể giống kim cương được các nhà khoa học Nga và Đức thu được vào năm 2009 trong các thí nghiệm trên một nhà máy thí điểm chung dưới tác dụng của áp suất 1 triệu atm và nhiệt độ 1725 ° C. Hiện tại, công việc đang được tiến hành để đạt được trạng thái bền vững của polyme nitơ ở áp suất và nhiệt độ thông thường.
Các ôxít nitơ cao hơn là các hợp chất hóa học chứa ôxy đầy hứa hẹn. Ôxít nitric nổi tiếng V (một phân tử phẳng bao gồm hai nguyên tử nitơ và năm nguyên tử ôxy) không có giá trị thực tế như một thành phần của nhiên liệu rắn do nhiệt độ nóng chảy thấp (32 ° C). Các cuộc điều tra theo hướng này được thực hiện bằng cách tìm kiếm phương pháp tổng hợp oxit nitric VI (tetra-nitơ hexaoxit), phân tử khung của chúng có hình dạng của một tứ diện, ở các đỉnh có bốn nguyên tử nitơ liên kết với sáu nguyên tử oxi nằm trên các cạnh của tứ diện. Sự đóng hoàn toàn của các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử nitric oxide VI làm cho nó có thể dự đoán nó tăng độ bền nhiệt, tương tự như của urotropin. Sự cân bằng oxy của oxit nitric VI (cộng với 63%) làm cho nó có thể làm tăng đáng kể trọng lượng riêng của các thành phần năng lượng cao như kim loại, hydrua kim loại, nitramin và polyme hydrocacbon trong nhiên liệu tên lửa rắn.
