Высокотемпературный пероксид ( HTP ) представляет собой высококонцентрированный (от 85 до 98%) раствор пероксида водорода , остаток которого в основном состоит из воды. При контакте с катализатором он разлагается на высокотемпературную смесь пара и кислорода, без остатка жидкой воды. Он использовался в качестве топлива ракет и торпед HTP , а также использовался для высокопроизводительных двигателей верньера .
Перекись водорода лучше всего работает в качестве топлива в чрезвычайно высоких концентрациях (примерно более 70%). Хотя любая концентрация перекиси будет генерировать некоторое количество горячего газа (кислород плюс некоторое количество пара), при концентрации выше примерно 67% теплота разложения перекиси водорода становится достаточно большой, чтобы полностью испарить всю жидкость при стандартном давлении. Это представляет собой поворотный момент безопасности и использования, поскольку разложение любой концентрации выше этого количества способно полностью преобразовать жидкость в нагретый газ (чем выше концентрация, тем горячее получаемый газ). Эта очень горячая смесь пара и кислорода затем может быть использована для создания максимальной тяги, мощности или работы, но она также делает взрывное разложение материала гораздо более опасным.
Таким образом, нормальная концентрация топлива варьируется от 70 до 98%, а общие концентрации составляют 70, 85, 90 и 98% [1] .
Изменение объема перекиси из-за замораживания зависит от процента. Более низкие концентрации перекиси (45% или меньше) будут расширяться при замораживании, в то время как более высокие концентрации (65% или больше) будут сжиматься. [2] : 4–39
Перекись водорода становится более стабильной с более высоким содержанием перекиси. Например, 98% перекиси водорода более стабильно, чем 70% перекиси водорода. Вода действует как загрязнитель, и чем выше концентрация воды, тем менее стабилен перекись. Сохраняемость перекиси зависит от соотношения поверхности к объему материалов, с которыми контактирует жидкость. Чтобы повысить сохраняемость, соотношение должно быть минимизировано. [3]
При использовании с подходящим катализатором HTP может использоваться как монотопливо [ 4 ] или с отдельным топливом как битопливо [5] .
HTP безопасно и успешно использовался во многих приложениях, начиная с немецкого использования во время Второй мировой войны и продолжая по сей день. [6] Во время Второй мировой войны высокотемпературный пероксид использовался в качестве окислителя в некоторых немецких двухкомпонентных ракетных конструкциях, таких как ракетный двигатель Walter HWK 509A , который приводил в действие истребитель-перехватчик Messerschmitt Me 163 в конце Второй мировой войны, составляя 80% стандартизированной смеси T-Stoff , а также в немецкой подводной лодке Type XVII .
Некоторые значимые программы США включают реактивные двигатели управления в программе X-15 и Bell Rocket Belt . Исследовательский аппарат NASA Lunar Lander использовал его для ракетной тяги, чтобы имитировать лунный посадочный модуль.
В 1958—1969 годах Королевский флот экспериментировал с использованием HTP в качестве окислителя на экспериментальных высокоскоростных учебных подводных лодках Explorer и Excalibur .
Первая российская торпеда HTP была известна под строго функциональным названием 53-57 , где 53 относилось к диаметру торпедного аппарата в сантиметрах, а 57 — к году его появления. Движимые конкуренцией Холодной войны , они заказали разработку более крупной торпеды HTP, которая должна была запускаться из 65-сантиметровых (26-дюймовых) аппаратов. HTP в одной из этих торпед типа 65 12 августа 2000 года взорвалась на борту и потопила подводную лодку К-141 «Курск» .
Британские эксперименты с HTP в качестве топлива для торпед были прекращены после того, как пожар перекиси водорода привел к гибели подводной лодки HMS Sidon (P259) в 1956 году.
Британские эксперименты с HTP продолжились в исследованиях ракетной техники и завершились созданием ракет-носителей Black Arrow в 1971 году. Ракеты Black Arrow успешно вывели спутник Prospero X-3 из Вумеры, Южная Австралия, используя HTP и керосиновое топливо.
Ракета British Blue Steel, прикрепленная к бомбардировщикам Vulcan и Victor в 1960-х годах, была произведена AVRO. Она использовала 85% концентрацию HTP. Чтобы зажечь двухкамерную ракету Stentor, HTP пропускали через каталитический экран. Затем в две камеры впрыскивали керосин, чтобы создать 20 000 и 5 000 фунтов (9 100 и 2 300 килограммов) тяги каждая. Большая камера предназначалась для набора высоты и ускорения, а маленькая камера должна была поддерживать крейсерскую скорость. Ракета имела дальность полета 100 морских миль при запуске на большой высоте и около 50 морских миль при запуске на малой высоте (от 500 до 1 000 футов (от 150 до 300 метров)). Ее скорость составляла около 2,0 Маха. После запуска с большой высоты она поднималась на высоту от 70 000 до 80 000 футов (от 21 000 до 24 000 метров). При запуске с малой высоты он поднимется всего на 40 000 футов (12 000 метров), но его скорость все равно будет около 2,0 Маха.
При концентрации 82% он до сих пор используется на российской ракете «Союз» для привода турбонасосов на ускорителях и на орбитальном корабле .
Ракетный автомобиль Blue Flame установил мировой рекорд скорости на суше — 622,407 миль в час (1001,667 км/ч) 23 октября 1970 года, используя комбинацию высокопрочной перекиси водорода и сжиженного природного газа (СПГ), сжатого гелием.
Перекись водорода, используемая в качестве топлива, используется в современных военных системах и в многочисленных оборонных и аэрокосмических научно-исследовательских программах. Многие частные ракетные компании используют перекись водорода, такие как Blue Origin и несуществующая Armadillo Aerospace ; и некоторые любительские группы выразили заинтересованность в производстве собственной перекиси, как для собственного использования, так и для продажи в небольших количествах другим. HTP используется на суборбитальных ракетах ILR-33 AMBER [7] и Nucleus [8] .
HTP планировалось использовать в попытке побить рекорд скорости на суше с автомобилем Bloodhound SSC , стремясь достичь более 1000 миль в час (1600 км/ч). HTP должен был стать окислителем для гибридного ракетного топлива, реагируя с твердым топливом полибутадиеном с гидроксильными концевыми группами . Проект застопорился из-за пандемии Covid-19 и отсутствия финансирования.
Доступные поставщики высококонцентрированной перекиси водорода пропеллентного класса, как правило, являются одними из крупных коммерческих компаний, которые производят другие сорта перекиси водорода, включая Solvay Interox , PeroxyChem (ранее FMC Global Peroxygens, подразделение FMC Corporation ), [9] и Evonik . XL Space Systems модернизирует техническую перекись водорода до HTP. [10] Другие компании, которые производили перекись водорода пропеллентного класса в недавнем прошлом, включают Air Liquide и DuPont . DuPont недавно продала свой бизнес по производству перекиси водорода Evonik. Высококонцентрированную HTP предлагают Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation с концентрациями до 99,99% [11] и Jakusz SpaceTech с концентрациями 85-98% [12] .
WEPA-Technologies может поставлять как сам HTP, так и полностью автоматизированные заводы, способные производить HTP в круглосуточном режиме в диапазоне концентраций от 90 до 99,5%. Заводы используют методологию контейнерной установки и могут быть смонтированы по всему миру (производительность: 25–1500 кг/день). [13]
Перекись водорода класса пропеллент доступна квалифицированным покупателям. В типичных обстоятельствах это химическое вещество продается только компаниям или государственным учреждениям, которые имеют возможность правильно обращаться с материалом и использовать его. Непрофессионалы приобрели перекись водорода с концентрацией 70% или ниже (остальные 30% — это вода со следами примесей и стабилизирующих материалов, таких как соли олова, фосфаты, нитраты и другие химические добавки) и сами увеличили ее концентрацию. Дистилляция с перекисью водорода чрезвычайно опасна; пары перекиси не могут воспламениться, но выделяющийся кислород может воспламенить любой материал, с которым он контактирует, детонация возможна в зависимости от определенных комбинаций температуры и давления, детонация является результатом быстрого реактивного испарения жидкости, приводящего к высокой температуре и давлению, что приводит к резкому разрыву содержащего сосуда. В общем, любая кипящая масса перекиси водорода высокой концентрации при давлении окружающей среды будет производить перекись водорода в паровой фазе, которая может детонировать. Эта опасность смягчается, но не устраняется, с помощью вакуумной дистилляции. Другие подходы к концентрированию перекиси водорода — барботирование и фракционная кристаллизация .
Перекись водорода в концентрации не менее 35% включена в список опасных химических веществ Министерства внутренней безопасности США. [14]
Поскольку многие обычные вещества катализируют экзотермическое разложение пероксида на пар и кислород, обращение с HTP требует особой осторожности и оборудования. Отмечено, что обычные материалы железо и медь несовместимы с пероксидом, но реакция может быть отложена на секунды или минуты, в зависимости от марки используемого пероксида.
Небольшие разливы перекиси водорода легко устраняются путем затопления области водой. Это не только охлаждает любую реагирующую перекись, но и основательно ее разбавляет. Поэтому места, где работают с перекисью водорода, часто оборудованы аварийными душами, а также шлангами и людьми, несущими службу безопасности.
Контакт с кожей вызывает немедленное отбеливание из-за выработки кислорода под кожей. Если не смыть в течение нескольких секунд, возникают обширные ожоги. Контакт с глазами может вызвать слепоту, поэтому обычно используют защиту для глаз.
Катастрофа подводной лодки «Курск» произошла из-за случайного выброса в торпеде высокотоксичного вещества, которое вступило в реакцию с топливом торпеды.