Химические ракеты с самым высоким удельным импульсом используют жидкое топливо ( жидкостные ракеты ). Они могут состоять из одного химического вещества ( монотопливо ) или смеси двух химических веществ, называемых битопливами . Битопливные топлива можно далее разделить на две категории: гиперголические топлива , которые воспламеняются при контакте топлива и окислителя , и негиперголические топлива, которым требуется источник зажигания. [1]
Было испытано около 170 различных видов топлива, изготовленных из жидкого топлива , за исключением незначительных изменений в конкретном виде топлива, таких как добавки к топливу, ингибиторы коррозии или стабилизаторы. Только в США было испытано не менее 25 различных комбинаций топлива. [2]
При выборе топлива для жидкостного ракетного двигателя учитываются многие факторы. К основным факторам относятся простота эксплуатации, стоимость, опасность/окружающая среда и производительность. [ необходима цитата ]
Константин Циолковский предложил использовать жидкое топливо в 1903 году в своей статье «Исследование космического пространства с помощью ракетных установок». [3] [4]
16 марта 1926 года Роберт Х. Годдард использовал жидкий кислород ( LOX ) и бензин в качестве топлива для своего первого частично успешного запуска ракеты на жидком топливе . Оба топлива легкодоступны, дешевы и высокоэнергетичны. Кислород является умеренным криогеном , поскольку воздух не будет разжижаться в баке с жидким кислородом, поэтому можно кратковременно хранить LOX в ракете без чрезмерной изоляции. [ необходимо разъяснение ]
В Германии инженеры и ученые начали строить и испытывать жидкостные ракеты в конце 1920-х годов. [5] По словам Макса Валье , две жидкостные ракеты Opel RAK были запущены в Рюссельсхайме 10 и 12 апреля 1929 года. [6]
Германия вела очень активную разработку ракет до и во время Второй мировой войны , как для стратегической ракеты V-2, так и для других ракет. V-2 использовал двигатель на спирте/жидком топливе LOX с перекисью водорода для привода топливных насосов. [7] : 9 Спирт смешивался с водой для охлаждения двигателя. И Германия, и Соединенные Штаты разработали многоразовые жидкостные ракетные двигатели, которые использовали хранимый жидкий окислитель с гораздо большей плотностью, чем LOX, и жидкое топливо, которое самопроизвольно воспламенялось при контакте с окислителем высокой плотности.
Основной производитель немецких ракетных двигателей военного назначения, фирма HWK , [8] производила серию ракетных двигателей RLM с обозначением 109-500 и использовала перекись водорода в качестве монотоплива для нужд ракетного движителя Starthilfe ; [9] или в качестве тяги для управляемых MCLOS планирующих бомб класса «воздух-море» ; [10] а также использовала в двухкомпонентной комбинации того же окислителя с топливной смесью гидразингидрата и метилового спирта для ракетных двигателей, предназначенных для пилотируемых боевых самолетов . [11]
Американские двигатели заправлялись двухкомпонентной смесью азотной кислоты в качестве окислителя и анилина в качестве топлива. Оба двигателя использовались для питания самолетов, перехватчика Me 163 Komet в случае немецких двигателей Walter серии 509, а также агрегатов RATO обеих стран (как в случае с системой Starthilfe для Люфтваффе) для помощи взлету самолетов, что составляло основную цель в случае технологии жидкостных ракетных двигателей США — большая часть из них исходила из ума офицера ВМС США Роберта Труакса . [12]
В 1950-х и 1960-х годах химики-ракетчики бурно развивали деятельность по поиску высокоэнергетических жидких и твердых ракетных топлив, более подходящих для военных нужд. Крупные стратегические ракеты должны находиться в наземных или подводных шахтах в течение многих лет, чтобы их можно было запустить в любой момент. Ракетные топлива, требующие постоянного охлаждения, из-за чего ракеты покрывались все более толстым слоем льда, были непрактичны. Поскольку военные были готовы работать с опасными материалами и использовать их, большое количество опасных химикатов производилось большими партиями, большинство из которых в конечном итоге считалось непригодным для операционных систем. В случае азотной кислоты сама кислота ( HNO
3) был нестабилен и разъедал большинство металлов, что затрудняло его хранение. Добавление небольшого количества тетраоксида азота , N
2О
4, сделал смесь красной и не дал ей изменить состав, но оставил проблему, что азотная кислота разъедает контейнеры, в которые она помещена, выделяя газы, которые могут создавать давление в процессе. Прорывом стало добавление небольшого количества фтористого водорода (HF), который образует самоуплотняющийся фторид металла на внутренней стороне стенок резервуара, что ингибировало красную дымящую азотную кислоту. Это сделало "IRFNA" пригодным для хранения.
Комбинации ракетного топлива на основе IRFNA или чистого N
2О
4в качестве окислителя и керосин или гиперголический (самовоспламеняющийся) анилин , гидразин или несимметричный диметилгидразин (UDMH) в качестве топлива были затем приняты в Соединенных Штатах и Советском Союзе для использования в стратегических и тактических ракетах. Самовоспламеняющиеся хранимые жидкие двухкомпонентные топлива имеют несколько меньший удельный импульс, чем LOX/керосин, но имеют более высокую плотность, поэтому большую массу топлива можно поместить в баки того же размера. Бензин был заменен различными углеводородными топливами, [7] например, RP-1 — высокоочищенный сорт керосина . Эта комбинация вполне практична для ракет, которые не нужно хранить.
Ракеты V-2, разработанные нацистской Германией, использовали LOX и этиловый спирт. Одним из главных преимуществ спирта было содержание в нем воды, которая обеспечивала охлаждение в более крупных ракетных двигателях. Топливо на основе нефти давало больше энергии, чем спирт, но стандартный бензин и керосин оставляли слишком много сажи и побочных продуктов сгорания, которые могли засорить трубопроводы двигателя. Кроме того, они не обладали охлаждающими свойствами этилового спирта.
В начале 1950-х годов химическая промышленность США получила задачу разработать усовершенствованное ракетное топливо на основе нефти, которое не оставляло бы остатков, а также гарантировало бы, что двигатели останутся холодными. Результатом стал RP-1 , спецификации которого были окончательно утверждены к 1954 году. Высокоочищенная форма реактивного топлива, RP-1 сгорала гораздо чище, чем обычное нефтяное топливо, а также представляла меньшую опасность для наземного персонала из-за взрывоопасных паров. Она стала топливом для большинства ранних американских ракет и баллистических ракет, таких как Atlas, Titan I и Thor. Советы быстро приняли RP-1 для своей ракеты Р-7, но большинство советских ракет-носителей в конечном итоге использовали хранимое гиперголическое топливо. По состоянию на 2017 год [обновлять]она используется на первых ступенях многих орбитальных пусковых установок.
Многие ранние теоретики ракет считали, что водород будет прекрасным топливом, поскольку он дает самый высокий удельный импульс . Он также считается самым чистым при окислении кислородом, поскольку единственным побочным продуктом является вода. Паровая конверсия природного газа является наиболее распространенным методом производства коммерческого водорода в больших объемах, составляющим около 95% мирового производства [13] [14] 500 млрд м 3 в 1998 году. [15] При высоких температурах (700–1100 °C) и в присутствии катализатора на основе металла ( никеля ) пар реагирует с метаном, образуя оксид углерода и водород.
Водород очень громоздкий по сравнению с другими видами топлива; обычно его хранят в виде криогенной жидкости, технология, освоенная в начале 1950-х годов в рамках программы разработки водородной бомбы в Лос-Аламосе . Жидкий водород можно хранить и транспортировать без выкипания, используя гелий в качестве охлаждающего хладагента, поскольку гелий имеет еще более низкую температуру кипения, чем водород. Водород теряется через вентиляцию в атмосферу только после загрузки в ракету-носитель, где нет охлаждения. [16]
В конце 1950-х и начале 1960-х годов он был принят для ступеней с водородным топливом, таких как верхние ступени Centaur и Saturn . [ требуется ссылка ] Водород имеет низкую плотность даже в жидком состоянии, что требует больших баков и насосов; поддержание необходимого экстремального холода требует изоляции бака. Этот дополнительный вес уменьшает массовую долю ступени или требует принятия чрезвычайных мер, таких как стабилизация давления баков для снижения веса. (Баки со стабилизированным давлением выдерживают большую часть нагрузок за счет внутреннего давления, а не за счет твердых конструкций, используя в первую очередь прочность на разрыв материала бака. [ требуется ссылка ] )
Советская ракетная программа, отчасти из-за отсутствия технических возможностей, не использовала жидкий водород в качестве топлива до появления основной ступени «Энергии» в 1980-х годах. [ необходима цитата ]
Жидкостно-ракетный двигатель на основе двухкомпонентного жидкого кислорода и водорода обеспечивает самый высокий удельный импульс для обычных ракет. Эта дополнительная производительность в значительной степени компенсирует недостаток низкой плотности, требующий более крупных топливных баков. Однако небольшое увеличение удельного импульса в верхней ступени может дать значительное увеличение массы полезной нагрузки на орбите. [17]
Пожары на стартовой площадке из-за разлития керосина наносят больший ущерб, чем возгорание водорода, по двум основным причинам:
Пожары керосина неизбежно приводят к обширным тепловым повреждениям, которые требуют трудоемкого ремонта и перестройки. Чаще всего с этим сталкиваются бригады испытательных стендов, участвующие в запуске больших, непроверенных ракетных двигателей.
Двигатели на водородном топливе требуют специальной конструкции, например, горизонтальной прокладки топливных линий, чтобы в линиях не образовывались «ловушки», которые могли бы привести к разрыву труб из-за кипения в замкнутых пространствах. (Такое же предостережение относится и к другим криогенам, таким как жидкий кислород и сжиженный природный газ (СПГ).) Жидкий водород имеет превосходные показатели безопасности и производительности, которые значительно превосходят все другие практические химические ракетные топлива.
Химия с самым высоким удельным импульсом, когда-либо испытанная в ракетном двигателе, была из лития и фтора , с добавлением водорода для улучшения термодинамики выхлопа (все топлива должны были храниться в своих собственных баках, что делало это тритопливо ). Комбинация обеспечивала удельный импульс 542 с в вакууме, что эквивалентно скорости истечения 5320 м/с. Непрактичность этой химии подчеркивает, почему экзотические топлива на самом деле не используются: чтобы сделать все три компонента жидкими, водород должен поддерживаться при температуре ниже -252 °C (всего 21 К), а литий должен поддерживаться при температуре выше 180 °C (453 К). Литий и фтор оба чрезвычайно едкие. Литий воспламеняется при контакте с воздухом, а фтор воспламеняет большинство видов топлива при контакте, включая водород. Фтор и фтористый водород (HF) в выхлопе очень токсичны, что затрудняет работу вокруг стартовой площадки, наносит ущерб окружающей среде и затрудняет получение лицензии на запуск . Литий и фтор дороги по сравнению с большинством ракетных топлив. Поэтому эта комбинация никогда не летала. [18]
В 1950-х годах Министерство обороны предложило литий/фтор в качестве топлива для баллистических ракет. Авария 1954 года на химическом заводе, в результате которой в атмосферу попало облако фтора, убедила их использовать вместо этого LOX/RP-1. [ необходима цитата ]
Использование жидкого метана и жидкого кислорода в качестве пропеллентов иногда называют металоксным двигателем. [19] Жидкий метан имеет меньший удельный импульс, чем жидкий водород, но его легче хранить из-за более высокой температуры кипения и плотности, а также отсутствия водородной хрупкости . Он также оставляет меньше остатков в двигателях по сравнению с керосином, что выгодно для повторного использования. [20] [21] Кроме того, ожидается, что его производство на Марсе будет возможно с помощью реакции Сабатье . В документах NASA Mars Design Reference Mission 5.0 (между 2009 и 2012 годами) жидкий метан / LOX (металокс) был выбран в качестве топливной смеси для посадочного модуля.
Из-за преимуществ, которые предлагает метановое топливо, некоторые частные поставщики космических запусков стремились разрабатывать пусковые системы на основе метана в 2010-х и 2020-х годах. Конкуренция между странами получила название «Гонка металокса на орбиту», и ракета металокса Zhuque-2 компании LandSpace стала первой, кто достиг орбиты. [22] [23] [24]
По состоянию на январь 2024 года [обновлять]две ракеты на метане достигли орбиты. Несколько других находятся в разработке, и две попытки орбитального запуска потерпели неудачу:
SpaceX разработала двигатель Raptor для своей сверхтяжелой ракеты-носителя Starship. [28] Он использовался в испытательных полетах с 2019 года. Ранее SpaceX использовала в своих двигателях только RP-1 /LOX.
Blue Origin разработала двигатель BE-4 LOX/LNG для своих New Glenn и United Launch Alliance Vulcan Centaur. BE-4 будет обеспечивать тягу 2400 кН (550 000 фунтов силы). Два летных двигателя были поставлены ULA к середине 2023 года.
В июле 2014 года компания Firefly Space Systems объявила о планах использования метанового топлива для своей малой ракеты-носителя Firefly Alpha с двигателем аэродинамического типа . [29]
ЕКА разрабатывает металоксный ракетный двигатель «Прометей» мощностью 980 кН , испытательный запуск которого состоялся в 2023 году. [30]
По состоянию на июнь 2024 года [обновлять]наиболее часто используемые комбинации жидкого топлива:
В таблице использованы данные из термохимических таблиц JANNAF (Межведомственный комитет по двигателям JANNAF) с наилучшим возможным удельным импульсом, рассчитанным Rocketdyne в условиях адиабатического сгорания, изоэнтропического расширения, одномерного расширения и смещающегося равновесия. [31] Некоторые единицы были переведены в метрические, но давления — нет.
Определения некоторых смесей:
Не содержит всех данных по CO/O2 , предназначенных для НАСА для ракет, базирующихся на Марсе, только удельный импульс около 250 с.
Общий рынок водорода в 1998 году составлял 390×10
9 Нм³/год + 110×109 Нм³/год совместного производства.
«Мы займемся метаном», — заявил Маск, описывая свои будущие планы относительно многоразовых ракет-носителей, включая те, которые будут предназначены для доставки астронавтов на Марс в течение 15 лет.