Гиперголическое топливо — это смесь ракетного топлива, используемая в ракетном двигателе , компоненты которой самопроизвольно воспламеняются при контакте друг с другом.
Два компонента топлива обычно состоят из топлива и окислителя . Главные преимущества гиперголических топлив заключаются в том, что их можно хранить в виде жидкостей при комнатной температуре, а двигатели, которые работают на них, легко и надежно зажигать повторно. Обычные гиперголические топлива сложны в обращении из-за их чрезвычайной токсичности или коррозионности .
В современном использовании термины «гипергол» и «гиперголическое топливо» обычно означают наиболее распространенную комбинацию таких топлив: тетраоксид диазота плюс гидразин . [1]
В 1935 году Хельмут Вальтер обнаружил, что гидразингидрат является гиперголическим с высоким содержанием перекиси 80–83%. Вероятно, он был первым, кто открыл это явление, и приступил к разработке топлива. Профессор Отто Лутц помогал компании Walter с разработкой C-Stoff , который содержал 30% гидразингидрата, 57% метанола и 13% воды и самопроизвольно воспламенялся с высококонцентрированной перекисью водорода . [2] : 13 BMW разработала двигатели, сжигающие гиперголическую смесь азотной кислоты с различными комбинациями аминов, ксилидинов и анилинов . [3]
Гиперголические топлива были открыты независимо друг от друга во второй раз в США исследователями GALCIT и ВМС Аннаполиса в 1940 году. Они разработали двигатели, работающие на анилине и красной дымящейся азотной кислоте (RFNA). [4] Роберт Годдард , Reaction Motors и Curtiss-Wright работали над двигателями на основе анилина/азотной кислоты в начале 1940-х годов для небольших ракет и реактивных самолетов с вспомогательным взлетом ( JATO ). Проект привел к успешному вспомогательному взлету нескольких бомбардировщиков Martin PBM и PBY, но проект не понравился из-за токсичных свойств как топлива, так и окислителя, а также высокой температуры замерзания анилина. Вторая проблема была в конечном итоге решена путем добавления небольших количеств фурфурилового спирта к анилину. [2] : 22–23
В Германии с середины 1930-х годов до Второй мировой войны ракетные топлива в целом классифицировались как монэрголы , гиперголы, негиперголы и литерголы . Окончание эргол представляет собой комбинацию греческого ergon или работа, и латинского oleum или масло, позже на которое повлиял химический суффикс -ol от alcohol . [Примечание 1] Монэрголы были монотопливами , в то время как негиперголы были битопливами, которым требовалось внешнее зажигание, а литерголы были твердо-жидкими гибридами. Гиперголические топлива (или, по крайней мере, гиперголическое зажигание) были гораздо менее склонны к жесткому запуску, чем электрическое или пиротехническое зажигание. Термин «гипергол» был придуман доктором Вольфгангом Нёггератом из Технического университета Брауншвейга , Германия. [5]
Единственным когда-либо развернутым истребителем с ракетным двигателем был Messerschmitt Me 163 B Komet . Komet имел HWK 109-509 , ракетный двигатель, который потреблял метанол/гидразин в качестве топлива и высокотемпературную перекись T-Stoff в качестве окислителя. Гиперголический ракетный двигатель имел преимущество быстрого набора высоты и тактики быстрого поражения ценой того, что он был очень нестабильным и мог взорваться при любой степени невнимательности. Другие предложенные боевые ракетные истребители, такие как Heinkel Julia , и разведывательные самолеты, такие как DFS 228, должны были использовать серию ракетных двигателей Walter 509, но помимо Me 163, только истребитель-истребитель вертикального пуска Bachem Ba 349 Natter когда-либо проходил летные испытания с ракетной двигательной установкой Walter в качестве основной поддерживающей тяговой системы для военных самолетов.
Самые ранние баллистические ракеты , такие как советская Р-7 , которая запустила Спутник 1 , и американские Атлас и Титан-1 , использовали керосин и жидкий кислород . Хотя они предпочтительны в космических пусковых установках, трудности хранения криогена, такого как жидкий кислород, в ракете, которая должна была быть готова к запуску в течение месяцев или лет, привели к переходу на гиперголические топлива в американской Титан II и в большинстве советских МБР, таких как Р-36 . Но трудности, связанные с такими едкими и токсичными материалами, включая вызывающие травмы утечки и взрыв Титана-II в его шахте, [6] привели к их почти повсеместной замене твердотопливными ускорителями, сначала в западных баллистических ракетах, запускаемых с подводных лодок , а затем в наземных американских и советских МБР. [2] : 47
Лунный модуль Apollo , использовавшийся при посадках на Луну , использовал гиперголические топлива как в посадочных, так и в подъемных ракетных двигателях. Космический корабль Apollo использовал ту же комбинацию для служебной двигательной системы . Эти космические корабли и Space Shuttle (среди прочих) использовали гиперголические топлива для своих систем управления реакцией .
Тенденция среди западных космических агентств заключается в отказе от больших гиперголических ракетных двигателей и переходе к водородно-кислородным двигателям или метаново-кислородным и RP-1 /кислородным двигателям по разным причинам . Ariane 1–4 с их гиперголическими первой и второй ступенями (и дополнительными гиперголическими ускорителями на Ariane 3 и 4) были сняты с эксплуатации и заменены на Ariane 5, в которой первая ступень работает на жидком водороде и жидком кислороде. Titan II, III и IV с их гиперголическими первой и второй ступенями также были сняты с эксплуатации для Atlas V (RP-1/кислород) и Delta IV (водород/кислород). Гиперголические топлива по-прежнему используются в верхних ступенях, когда требуются несколько периодов сгорания и выбега, а также в системах аварийного спасения .
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 имеют подачу под давлением. Газ, обычно гелий , подается в топливные баки под давлением через ряд обратных и предохранительных клапанов . Топливо, в свою очередь, течет через регулирующие клапаны в камеру сгорания; там их мгновенное контактное воспламенение предотвращает накопление смеси непрореагировавшего топлива и последующее возгорание при потенциально катастрофическом жестком запуске .
Поскольку гиперголические ракеты не нуждаются в системе зажигания, они могут запускаться любое количество раз, просто открывая и закрывая клапаны топлива, пока топливо не иссякнет, и поэтому они уникально подходят для маневрирования космических кораблей и хорошо подходят, хотя и не уникально, в качестве верхних ступеней таких космических ракет-носителей, как Delta II и Ariane 5 , которые должны выполнять более одного сгорания. Тем не менее, существуют перезапускаемые негиперголические ракетные двигатели, в частности, криогенный (кислород/водород) RL-10 на Centaur и J-2 на Saturn V. RP -1 /LOX Merlin на Falcon 9 также может быть перезапущен. [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 пропеллентами . Они подходят для использования в космических миссиях, длящихся много лет. Криогенность жидкого водорода и жидкого кислорода до сих пор ограничивала их практическое использование космическими ракетами-носителями, где их нужно хранить только недолгое время. [8] Поскольку самой большой проблемой при использовании криогенных пропеллентов 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.
Другим преимуществом гиперголических топлив является их высокая плотность по сравнению с криогенными топливами. LOX имеет плотность 1,14 г/мл, в то время как, с другой стороны, гиперголические окислители, такие как азотная кислота или тетраоксид азота, имеют плотность 1,55 г/мл и 1,45 г/мл соответственно. Топливо LH2 обеспечивает чрезвычайно высокую производительность, однако его плотность оправдывает его использование только в самых больших ступенях ракеты, в то время как смеси гидразина и НДМГ имеют плотность по крайней мере в десять раз выше. [9] Это имеет большое значение для космических зондов , поскольку более высокая плотность топлива позволяет значительно уменьшить размер их топливного бака, что, в свою очередь, позволяет зонду поместиться в меньший обтекатель полезной нагрузки .
По отношению к своей массе традиционные гиперголические топлива обладают более низкой теплотворной способностью , чем криогенные комбинации топлива, такие как LH2 / LOX или LCH4 / LOX . [10] Поэтому ракета-носитель, использующая гиперголическое топливо, должна нести большую массу топлива, чем та, которая использует эти криогенные топлива.
Коррозионная активность , токсичность и канцерогенность традиционных гиперголиков требуют принятия дорогостоящих мер безопасности. [11] [12] Например, несоблюдение адекватных мер безопасности при работе с исключительно опасной смесью НДМГ-азотной кислоты, прозванной «Ядом дьявола» , привело к самой смертоносной аварии в истории ракетной техники — катастрофе Неделина . [13]
Обычные комбинации гиперголических топлив включают: [14]
Менее распространённые или устаревшие гиперголические топлива включают в себя:
Пирофорные вещества, которые самопроизвольно воспламеняются в присутствии воздуха, иногда используются в качестве ракетного топлива или для воспламенения других видов топлива. Например, смесь триэтилборана и триэтилалюминия (которые по отдельности и еще больше вместе являются пирофорными) использовалась для запуска двигателей в SR-71 Blackbird и в двигателях F-1 на ракете Saturn V , а также используется в двигателях Merlin на ракетах SpaceX Falcon 9 .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )