Гиперголическое топливо — это комбинация ракетного топлива , используемая в ракетном двигателе , компоненты которой самопроизвольно воспламеняются при контакте друг с другом.
Два компонента топлива обычно состоят из топлива и окислителя . Основные преимущества гиперголического топлива заключаются в том, что его можно хранить в виде жидкости при комнатной температуре и что двигатели, работающие на нем, легко и надежно и многократно зажигаются. С обычными гиперголическими порохами трудно обращаться из-за их чрезвычайной токсичности и коррозионной активности .
В современном использовании термины «гипергол» и «гиперголовое топливо» обычно означают наиболее распространенную такую комбинацию топлива: тетроксид динитрогена плюс гидразин . [1]
В 1935 году Хельмут Вальтер обнаружил, что гидразингидрат гиперголичен с содержанием перекиси с высоким содержанием перекиси 80–83%. Вероятно, он был первым, кто обнаружил это явление и приступил к разработке топлива. Профессор Отто Лутц помогал компании Walter в разработке C-Stoff , который содержал 30% гидразингидрата, 57% метанола и 13% воды и самопроизвольно воспламенялся от высококонцентрированной перекиси водорода . [2] : 13 BMW разработали двигатели, сжигающие гиперголическую смесь азотной кислоты с различными комбинациями аминов, ксилидинов и анилинов . [3]
Гиперголическое топливо было открыто независимо, во второй раз, в США исследователями GALCIT и военно-морского флота Аннаполиса в 1940 году. Они разработали двигатели, работающие на анилине и красной дымящей азотной кислоте (RFNA). [4] Роберт Годдард , Reaction Motors и Кертисс-Райт работали над двигателями на основе анилина/азотной кислоты в начале 1940-х годов для небольших ракет и реактивного взлета ( JATO ). Результатом проекта стал успешный управляемый взлет нескольких самолетов Martin . Бомбардировщики PBM и PBY, но проект не понравился из-за токсичных свойств как топлива, так и окислителя, а также высокой температуры замерзания анилина. Вторая проблема в конечном итоге была решена добавлением к анилину небольших количеств фурфурилового спирта . [2] : 22–23
В Германии с середины 1930-х годов до Второй мировой войны ракетное топливо широко классифицировалось как монерголы , гиперголы, негиперголы и литерголы . Окончание эргол представляет собой комбинацию греческого ergon или работы и латинского oleum или масла, на которое позже повлиял химический суффикс -ol от алкоголя . [Примечание 1] Монерголы были монотопливами , в то время как негиперголы были бипропеллентами , требующими внешнего воспламенения, а литерголы представляли собой гибриды твердого и жидкого топлива. Гиперголическое топливо (или, по крайней мере, гиперголическое зажигание) было гораздо менее склонно к жесткому запуску , чем электрическое или пиротехническое зажигание. Терминология «гипергола» была придумана доктором Вольфгангом Нёггератом из Технического университета Брауншвейга , Германия. [5]
Единственным когда-либо использовавшимся истребителем с ракетным двигателем был Мессершмитт Me 163 B Komet . У «Кометы» был HWK 109-509 , ракетный двигатель, который потреблял метанол/гидразин в качестве топлива и высокопрочный пероксид T-Stoff в качестве окислителя. Гиперголический ракетный двигатель имел преимущество в быстром наборе высоты и тактике быстрого нанесения ударов, но был очень нестабильным и мог взорваться при любой степени невнимательности. Другие предложенные боевые ракетные истребители, такие как Heinkel Julia , и самолеты-разведчики, такие как DFS 228 , должны были использовать ракетные двигатели серии Walter 509, но, кроме Me 163, только истребитель одноразового использования с вертикальным стартом Bachem Ba 349 Natter когда-либо проходил летные испытания с Ракетная двигательная установка «Вальтер» в качестве основной системы поддержания тяги самолетов военного назначения.
Самые ранние баллистические ракеты , такие как советская Р-7 , запустившая «Спутник-1» , а также американские «Атлас » и «Титан-1» , использовали керосин и жидкий кислород . Хотя их предпочитают в космических ракетах-носителях, трудности с хранением криогена , такого как жидкий кислород, в ракете, которую нужно было держать готовой к запуску в течение месяцев или лет, привели к переходу на гиперголическое топливо на американском Титане II и в большинстве советских ракет. МБР, такие как Р-36 . Но трудности с такими коррозийными и токсичными материалами, включая утечки и взрывы в шахтах Титан-II, [6] привели к практически повсеместной замене их твердотопливными ускорителями сначала в западных баллистических ракетах подводных лодок , а затем и в наземных американских ракетах. и советские МБР. [2] : 47
Лунный модуль «Аполлон» , использовавшийся при высадке на Луну , использовал гиперголическое топливо как в спускаемых, так и в поднимающихся ракетных двигателях. Космический корабль «Аполлон» использовал ту же комбинацию для служебной двигательной установки . Эти космические корабли и космический шаттл (среди прочих) использовали гиперголическое топливо для своих систем управления реакцией .
Среди западных космических агентств наблюдается тенденция отказа от больших гиперголических ракетных двигателей к водородно-кислородным двигателям с более высокими характеристиками. Ариана с 1 по 4 с их гиперголическими первой и второй ступенями (и дополнительными гиперголическими ускорителями на Ариане 3 и 4) были сняты с эксплуатации и заменены Арианой 5, в которой используется первая ступень, работающая на жидком водороде и жидком кислороде. Титаны II, III и IV с их гиперголическими первой и второй ступенями также были сняты с производства. Гиперголическое топливо по-прежнему широко используется на верхних ступенях, когда требуется несколько периодов горения на выбеге, а также в системах аварийного спасения при запуске .
Ракетные двигатели на гиперголическом топливе обычно просты и надежны, поскольку им не нужна система зажигания. Хотя более крупные гиперголические двигатели в некоторых ракетах-носителях используют турбонасосы , большинство гиперголических двигателей питаются под давлением. Газ, обычно гелий , подается в топливные баки под давлением через ряд обратных и предохранительных клапанов . Топливо, в свою очередь, проходит через регулирующие клапаны в камеру сгорания; там их мгновенное контактное зажигание предотвращает накопление и последующее воспламенение смеси непрореагировавших топлив при потенциально катастрофическом жестком запуске .
Поскольку гипергольным ракетам не нужна система зажигания, они могут запускаться любое количество раз, просто открывая и закрывая топливные клапаны до тех пор, пока топливо не израсходуется, и поэтому они уникально подходят для маневрирования космического корабля и хорошо подходят, хотя и не однозначно, в качестве верхних ступеней. таких космических ракет-носителей, как «Дельта-2» и «Ариан-5» , которые должны выполнить более одного запуска. Тем не менее, существуют перезапускаемые негиперголические ракетные двигатели, в частности криогенные (кислородно-водородные) RL-10 на « Кентавре» и J-2 на « Сатурне-5» . RP -1 /LOX Merlin на Falcon 9 также можно перезапустить. [7]
Наиболее распространенные гиперголические топлива, гидразин , монометилгидразин и несимметричный диметилгидразин , а также окислитель, тетраоксид азота , являются жидкими при обычных температурах и давлениях. Поэтому их иногда называют хранимыми жидкими ракетами-вытеснителями . Они пригодны для использования в многолетних миссиях космических кораблей. Криогенность жидкого водорода и жидкого кислорода пока ограничивает их практическое применение космическими ракетами-носителями, где их необходимо хранить лишь непродолжительное время . [8] Поскольку самой большой проблемой при использовании криогенного топлива в межпланетном пространстве является выкипание, которое во многом зависит от масштаба космического корабля, для более крупных кораблей, таких как Starship , это не такая уж большая проблема.
Еще одним преимуществом гиперголических порохов является их высокая плотность по сравнению с криогенными порохами. LOX имеет плотность 1,14 г/мл, в то время как гипергольные окислители, такие как азотная кислота или четырехокись азота, имеют плотность 1,55 г/мл и 1,45 г/мл соответственно. Топливо LH2 обладает чрезвычайно высокими характеристиками, однако его плотность гарантирует его использование только на самых крупных ступенях ракет, в то время как смеси гидразина и НДМГ имеют плотность как минимум в десять раз выше. [9] Это имеет большое значение для космических зондов , поскольку более высокая плотность топлива позволяет значительно уменьшить размер топливного бака, что, в свою очередь, позволяет зонду помещаться в меньший по размеру обтекатель полезной нагрузки .
По отношению к своей массе традиционное гиперголическое топливо обладает более низкой теплотворной способностью , чем комбинации криогенного топлива, такие как LH2 / LOX или LCH4 / LOX . [10] Поэтому ракета-носитель, использующая гиперголическое топливо, должна нести большую массу топлива, чем та, которая использует это криогенное топливо.
Коррозионная активность , токсичность и канцерогенность традиционных гиперголиков требуют дорогостоящих мер безопасности. [11] [12] Несоблюдение адекватных мер безопасности при использовании исключительно опасной пороховой смеси НДМГ и азотной кислоты, получившей прозвище «Яд дьявола» , например, привело к самой смертоносной ракетной катастрофе в истории - катастрофе в Неделине . [13]
Общие гиперголические комбинации пороха включают: [14]
Менее распространенные или устаревшие гиперголические топлива включают:
Пирофорные вещества, которые самовоспламеняются в присутствии воздуха, также иногда используются в качестве ракетного топлива или для воспламенения других видов топлива. Например, смесь триэтилборана и триэтилалюминия (которые и по отдельности, и тем более вместе являются пирофорными) использовалась для запуска двигателей в SR-71 Blackbird и в двигателях F-1 на ракете Saturn V , а также используется в Merlin. двигатели на ракетах SpaceX Falcon 9 .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )