Топливо Zip , также известное как высокоэнергетическое топливо ( HEF ), — это любой представитель семейства реактивных топлив, содержащий добавки в виде соединений гидробора или боранов . Топливо Zip обеспечивает более высокую плотность энергии, чем обычное топливо, помогая увеличить дальность полета реактивных самолетов. В 1950-х годах, когда малая дальность полета реактивных самолетов была серьезной проблемой для военных планировщиков, топливо Zip стало предметом серьезного изучения.
Ряд самолетов были спроектированы для использования zip, включая XB-70 Valkyrie , XF-108 Rapier , а также BOMARC и даже программу создания атомных самолетов . Военно-морской флот рассматривал возможность перевода всех своих реактивных двигателей на zip и начал изучать возможность переоборудования своих авианосцев для его безопасного хранения.
В ходе испытаний выяснилось, что у топлива есть несколько серьезных недостатков, и в 1959 году все работы были прекращены.
Топливо с самой высокой плотностью энергии (по весу) в обычных комбинациях топлива — это водород . Однако газообразный водород имеет очень низкую (объемную) плотность; сжиженный водород имеет более высокую плотность, но его сложно и дорого хранить. В сочетании с углеродом водород может быть преобразован в легко сгораемое углеводородное топливо. Другие элементы, такие как алюминий и бериллий , имеют даже более высокое содержание энергии, чем углерод, но плохо смешиваются, чтобы образовать стабильное топливо, которое можно легко сжечь. [1]
Из всех элементов с малой массой бор обладает сочетанием высокой энергии, малого веса и широкой доступности, что делает его интересным в качестве потенциального топлива. [1] Бораны имеют высокую удельную энергию , около 70 000 кДж/кг (30 000 БТЕ/фунт). Это выгодно отличается от типичного топлива на основе керосина , такого как JP-4 или RP-1 , которое обеспечивает около 42 000 кДж/кг (18 000 БТЕ/фунт). [2] Однако они не подходят для сжигания в качестве топлива сами по себе, поскольку они часто склонны к самовозгоранию при контакте с воздухом, что делает их опасными в обращении. [3]
При смешивании с обычным реактивным топливом они добавляют энергосодержание, становясь несколько более стабильными. В общем, обогащенное бором топливо обеспечивает до 40% более высокую плотность энергии, чем обычный JP-4, как по весу, так и по объему. [3] [4] В США было исследовано целое семейство видов топлива, и обычно их называли по названиям, которые им были присвоены в ходе проекта ВВС HEF: HEF-1 (этилдиборан), HEF-2 (пропилпентаборан), HEF-3 (этилдекаборан), HEF-4 (метилдекаборан) и HEF-5 (этилацетилендекаборан). [4]
У топлива Zip есть ряд недостатков. Во-первых, топливо токсично, как и его выхлоп. Это не вызывало беспокойства в полете, но стало серьезной проблемой для наземных служб, обслуживающих самолет. Топливо сгорает, образуя твердые частицы, которые являются как липкими, так и едкими, в то время как твердые частицы карбида бора являются абразивными. Это вызывало серьезные проблемы для лопаток турбин в реактивных двигателях, где выхлопные газы скапливались на лопатках и снижали их эффективность, а иногда вызывали катастрофический отказ двигателя. [5] [6] Наконец, выхлопной шлейф заполнен частицами, как в случае с угольным дымом, что позволяет визуально обнаружить самолет на большом расстоянии.
В конце концов, проблема сжигания HEF во всем двигателе оказалась неразрешимой. Удаление отложений было сложным, а вызванный ими износ был тем, с чем материаловедение не могло справиться. Можно было относительно легко сжигать его в форсажной камере , но это было бы эффективно только на самолетах, которые использовали форсажную камеру в течение длительного времени. В сочетании с высокой стоимостью производства топлива и проблемами токсичности ценность zip-топлива была серьезно снижена.
После того, как интерес к боранам как реактивному топливу пошел на убыль, некоторые мелкомасштабные исследования по их использованию в качестве ракетного топлива продолжились. Это также оказалось тупиком, поскольку твердые оксиды бора в продуктах сгорания мешали ожидаемой термодинамике, и преимущества тяги не могли быть реализованы. [7]
За эти годы было проведено несколько исследований борированного топлива, начиная с проекта HERMES, связанного с ракетами, в армии США в конце 1940-х годов, проекта ZIP Бюро аэронавтики ВМС США в 1952 году [3] и проекта HEF (высокоэнергетическое топливо) ВВС США в 1955 году [8]. На протяжении большей части 1950-х годов zip-топливо считалось «следующим большим достижением», и на эти проекты были потрачены значительные средства в попытке ввести их в эксплуатацию. Название ВМС закрепилось, и все борированное топливо стало известно как «zip-топливо», хотя наименование ВВС для самих видов топлива стало общепринятым.
Основной упор программы ВВС был сделан на основе HEF-3, который казался наиболее вероятным кандидатом для быстрого внедрения. HEF стал частью усилий WS-110 по созданию нового дальнего бомбардировщика для замены B-52 Stratofortress с конструкцией, способной развивать скорость до 2 Маха. Первоначальные проекты Boeing и North American Aviation (NAA) использовали обычное топливо для взлета и крейсерского полета, переключаясь на HEF во время высокоскоростного рывка, сжигая его только в своих форсажных камерах. [9] Это позволило избежать основных проблем с HEF; сжигая его только в форсажных камерах, проблема с накоплением на турбине была устранена, и поскольку форсажные камеры использовались только для взлета и высокоскоростного полета, проблемы с токсичными выхлопами были значительно уменьшены.
Когда первоначальные проекты оказались слишком дорогими, чтобы оправдать их относительно небольшое улучшение характеристик, оба вернулись к чертежной доске и придумали новые проекты, которые летали на сверхзвуковых скоростях большую часть боевой миссии. Эти проекты были основаны на новых двигателях, разработанных для длительного высокоскоростного полета, при этом NAA B-70 Valkyrie и General Electric J93 перешли на стадию прототипа. В этих случаях форсажные камеры использовались в течение более длительного периода, максимизируя преимущества HEF. Были планы представить более позднюю версию J93, которая бы сжигала HEF-4 на протяжении всего времени. Между тем, также проводились исследования по использованию HEF-3 в прямоточных воздушно-реактивных двигателях BOMARC [10] , а также исследования по его использованию на авианосцах ВМС США для питания будущих самолетов, но обе эти программы заглохли.
Поскольку проблемы оказались неразрешимыми, ВВС отменили свою программу в 1959 году, и интерес к зипу по сути исчез. К этому моменту единственным проектом, все еще рассматривавшим использование HEF, был XB-70 и его J93. NAA и General Electric отреагировали перепроектированием двигателя для работы на новой форме реактивного топлива более высокой плотности, JP-6, и заполнением одного из двух бомбоотсеков новым топливным баком. При этом дальность полета была резко сокращена с примерно 7700 до 5500 морских миль (с 14 300 до 10 200 км). [4] Это сократило выбор целей, которые могли быть атакованы с территории США, и потребовало дозаправки в воздухе для каждого профиля миссии, еще одна проблема, которая привела к окончательному перенаправлению проекта в чисто экспериментальный самолет.
По оценкам, США потратили на программу около 1 миллиарда долларов (с поправкой на инфляцию 2001 года). [8] В США было построено не менее пяти заводов по производству HEF, и двое рабочих погибли в результате взрыва, уничтожившего один завод в Нью-Йорке. [8] [11] Большая часть программы была засекречена во время ее реализации, но, тем не менее, она широко освещалась как в отраслевой прессе, так и в гражданских газетах. [12] США и Советский Союз независимо друг от друга рассекретили свои исследования в 1964 году.
Одним из потенциально долговечных остатков программы HEF является заброшенный грунтовый аэродром за пределами Борона, Калифорния . На топографических картах USGS он обозначен как «Завод ВВС № 72», но на этом месте не было построено ничего, кроме взлетно-посадочной полосы и резервуара с водой. Предполагается, что это был завод по производству топлива HEF, использующий крупные месторождения буры поблизости (давшие название городу), откуда его можно было легко доставить на авиабазу Эдвардс . [4] Другим ответвлением исследований zip-топлива является использование триэтилборана в качестве воспламеняющего вещества для топлива JP-7 , используемого в SR-71 Blackbird.