RP-1 (альтернативно, ракетное топливо-1 или очищенная нефть-1 ) — это высокоочищенная форма керосина , внешне похожая на реактивное топливо , используемая в качестве ракетного топлива . RP-1 обеспечивает меньший удельный импульс , чем жидкий водород (H2 ) , но дешевле, стабилен при комнатной температуре и представляет меньшую опасность взрыва. RP-1 намного плотнее, чем H2 , что дает ему более высокую плотность энергии (хотя его удельная энергия ниже). RP-1 также имеет часть токсичности и канцерогенных опасностей гидразина , другого жидкого топлива при комнатной температуре.
RP-1 — топливо в ускорителях первой ступени ракет Electron , Soyuz , Zenit , Delta I-III , Atlas , Falcon , Antares и Tronador II . Он также использовался в первых ступенях Energia , Titan I , Saturn I и IB и Saturn V. Индийская организация космических исследований (ISRO) также разрабатывает двигатель на топливе RP-1 для своих будущих ракет. [2]
Во время и сразу после Второй мировой войны спирты (в первую очередь этанол , иногда метанол ) широко использовались в качестве топлива для больших жидкотопливных ракет . Их высокая теплота испарения удерживала двигатели с регенеративным охлаждением от плавления, особенно учитывая, что спирты обычно содержали несколько процентов воды. Однако было признано, что углеводородное топливо увеличит эффективность двигателя из-за немного более высокой плотности , отсутствия атома кислорода в молекуле топлива и незначительного содержания воды. Независимо от того, какой углеводород был выбран, он также должен был заменить спирт в качестве охлаждающей жидкости.
Многие ранние ракеты работали на керосине , но по мере увеличения времени горения, эффективности сгорания и давления в камере сгорания масса двигателя уменьшалась, что приводило к неуправляемым температурам двигателя. Сырой керосин, используемый в качестве охлаждающей жидкости, имеет тенденцию к диссоциации и полимеризации . Легкие продукты в виде пузырьков газа вызывают кавитацию, а тяжелые в виде отложений воска блокируют узкие охлаждающие каналы в двигателе. Возникающее в результате голодание охлаждающей жидкости еще больше повышает температуру и вызывает большую полимеризацию, которая ускоряет разрушение. Цикл быстро обостряется (т. е. тепловой разгон ), пока не произойдет разрыв стенки двигателя или другой механический отказ, и он сохраняется даже тогда, когда весь поток охлаждающей жидкости состоит из керосина. В середине 1950-х годов конструкторы ракет обратились к химикам, чтобы те разработали термостойкий углеводород, в результате чего появился RP-1.
В 1950-х годах предпочтительным окислителем для использования с RP-1 стал LOX ( жидкий кислород ) [3] , хотя применялись и другие окислители.
Во-первых, сера и ее соединения воздействуют на металлы при высоких температурах, и даже очень небольшое количество серы способствует полимеризации . Поэтому сера и ее соединения сводятся к минимуму .
Ненасыщенные соединения ( алкены , алкины и ароматические соединения ) также удерживаются на низком уровне, поскольку они имеют тенденцию полимеризоваться при высоких температурах и длительных периодах хранения. В то время считалось, что ракеты на керосине могут оставаться на хранении в течение многих лет в ожидании активации. Эта функция была позже передана твердотопливным ракетам , хотя высокотемпературные преимущества насыщенных углеводородов сохранились. Из-за низкого уровня алкенов и ароматических соединений RP-1 менее токсичен, чем различные реактивные и дизельные топлива, и гораздо менее токсичен, чем бензин.
Были выбраны или синтезированы наиболее желательные изомеры , при этом линейные алканы были сокращены в пользу большего количества циклических и сильно разветвленных алканов. Так же, как циклические и разветвленные молекулы улучшают октановое число бензина , они также значительно повышают термическую стабильность при высоких температурах. Наиболее желательными изомерами являются полициклические соединения , такие как ладдераны .
Напротив, основные области применения керосина (авиация, отопление и освещение) гораздо меньше связаны с термическим разложением и, следовательно, не требуют строгой оптимизации его изомеров.
В процессе производства эти сорта тщательно обрабатываются для удаления примесей и побочных фракций. Высказывались опасения, что зола может засорить топливные магистрали и каналы двигателя, а также изнашивать клапаны и подшипники турбонасоса , поскольку они смазываются топливом. Немного слишком тяжелые или слишком легкие фракции влияли на смазочные способности и могли отделиться во время хранения и под нагрузкой. Оставшиеся углеводороды имеют массу около C 12. Из-за отсутствия легких углеводородов RP-1 имеет высокую температуру вспышки и менее пожароопасен, чем бензин.
В общем, конечный продукт намного дороже обычного керосина. Любая нефть может производить RP-1 при достаточной очистке, хотя реальный ракетный керосин добывается из небольшого количества нефтяных месторождений с высококачественным базовым маслом, или его можно синтезировать искусственно . Это, в сочетании с относительно небольшим спросом на нишевом рынке по сравнению с другими потребителями нефти, обуславливает высокую цену RP-1. Военные спецификации RP-1 описаны в MIL-R-25576, [4] , а химические и физические свойства RP-1 описаны в NISTIR 6646. [5]
В России и других странах бывшего СССР две основные формулы ракетного керосина — Т-1 и РГ-1 . Плотности немного выше,0,82–0,85 г / мл по сравнению с RP-1 при0,81 г/мл . В течение короткого периода [ когда? ] Советы достигли еще более высоких плотностей, переохлаждая керосин в топливных баках ракеты, но это частично противоречило цели использования керосина по сравнению с другими переохлажденными видами топлива. [ необходимо разъяснение ] В случае с Союзом и Р-7 температурный штраф был незначительным. Уже имелись возможности для управления криогенным жидким кислородом и жидким азотом корабля , оба из которых намного холоднее керосина. Центральный керосиновый бак пусковой установки окружен с четырех сторон и сверху баками с жидким кислородом; бак с жидким азотом находится поблизости внизу. Керосиновые баки четырех ускорителей относительно небольшие и компактные, а также находятся между баком с жидким кислородом и баком с жидким азотом. Таким образом, после того как керосин был изначально охлажден, он мог оставаться таким в течение короткого времени, необходимого для завершения подготовки к запуску. Последняя версия Falcon 9, Falcon 9 Full Thrust , также имеет возможность переохлаждения топлива RP-1 для−7 °C , что даетУвеличение плотности на 2,5–4% .
Химически углеводородное топливо менее эффективно, чем водородное топливо, поскольку водород выделяет больше энергии на единицу массы во время сгорания, что обеспечивает более высокую скорость истечения. Это отчасти является результатом большой массы атомов углерода по сравнению с атомами водорода. Углеводородные двигатели также обычно работают на богатом топливе, что производит некоторое количество CO вместо CO2 в результате неполного сгорания, хотя это не уникально для углеводородных двигателей, поскольку водородные двигатели также обычно работают на богатом топливе для лучшей общей производительности. Некоторые российские двигатели работают на своих турбонасосных предкамерах с обогащенным кислородом, но основная камера сгорания по-прежнему работает на богатом топливе. В целом, керосиновые двигатели генерируют I sp в диапазоне270-360 с , в то время как водородные двигатели достигают370-465 с .
Во время выключения двигателя расход топлива быстро падает до нуля, пока двигатель еще довольно горячий. Остаточное и захваченное топливо может полимеризоваться или даже обугливаться в горячих точках или в горячих компонентах. Даже без горячих точек тяжелое топливо может создавать нефтяной остаток, как это можно увидеть в бензиновых, дизельных или реактивных топливных баках, которые эксплуатируются годами. Ракетные двигатели имеют циклический срок службы, измеряемый минутами или даже секундами, что предотвращает образование действительно тяжелых отложений. Однако ракеты гораздо более чувствительны к отложениям, как описано выше. Таким образом, керосиновые системы обычно влекут за собой больше разборок и капитальных ремонтов, создавая операции и трудозатраты. Это проблема как для одноразовых двигателей, так и для многоразовых, поскольку двигатели должны быть запущены на земле некоторое количество раз перед запуском. Даже испытания на холодную текучесть, в которых топливо не воспламеняется, могут оставлять остатки.
С другой стороны, ниже давления в камере около 1000 фунтов на квадратный дюйм (7 МПа) керосин может образовывать сажистые отложения на внутренней стороне сопла и вкладыша камеры. Это действует как значительный изоляционный слой и может уменьшить тепловой поток в стенку примерно в два раза. Однако большинство современных углеводородных двигателей работают при давлении выше этого, поэтому для большинства двигателей это не имеет существенного значения.
В последних двигателях на тяжелых углеводородах были изменены компоненты и новые рабочие циклы в попытках лучше управлять остаточным топливом, достичь более постепенного охлаждения или и того, и другого. Это все еще оставляет проблему недиссоциированных нефтяных остатков. Другие новые двигатели пытались полностью обойти эту проблему, перейдя на легкие углеводороды, такие как метан или пропан . Оба являются летучими, поэтому остатки двигателя просто испаряются. При необходимости через двигатель можно пропустить растворители или другие слабительные, чтобы завершить дисперсию. Короткоцепочечный углеродный остов пропана (молекула C3 ) очень трудно разорвать; метан с одним атомом углерода (C1 ) технически вообще не является цепью. Продукты распада обеих молекул также являются газами, с меньшим количеством проблем из-за разделения фаз и гораздо меньшей вероятностью полимеризации и осаждения. Однако метан (и в меньшей степени пропан) вновь вносит неудобства в обращение, которые изначально побудили керосин.
Низкое давление паров керосина обеспечивает безопасность наземного персонала. Однако в полете керосиновый бак нуждается в отдельной системе наддува для замены объема топлива по мере его опорожнения. Как правило, это отдельный бак с жидкостью или инертным газом высокого давления, таким как азот или гелий . Это создает дополнительные затраты и вес. Криогенные или летучие виды топлива обычно не нуждаются в отдельном наддуве; вместо этого часть топлива расширяется (часто с помощью тепла двигателя) в газ низкой плотности и направляется обратно в свой бак. Некоторым конструкциям с высоколетучим топливом даже не нужен газовый контур; часть жидкости автоматически испаряется, заполняя свой собственный контейнер. Некоторые ракеты используют газ из газогенератора для наддува топливного бака; обычно это выхлоп из турбонасоса . Хотя это экономит вес отдельной газовой системы, контур теперь должен обрабатывать горячий, реактивный газ вместо холодного, инертного.
Независимо от химических ограничений, RP-1 имеет ограничения по поставкам из-за очень малого размера отрасли по производству ракет-носителей по сравнению с другими потребителями нефти. Хотя материальная стоимость такого высокоочищенного углеводорода все еще ниже, чем у многих других ракетных топлив, количество поставщиков RP-1 ограничено. Несколько двигателей пытались использовать более стандартные, широко распространенные нефтепродукты, такие как реактивное топливо или даже дизельное топливо (например, двигатель E2 компании ABL Space Systems может работать как на RP-1, так и на Jet-A). Используя альтернативные или дополнительные методы охлаждения двигателя, некоторые двигатели могут выдерживать неоптимальные формулы.
Любое топливо на основе углеводородов производит больше загрязнения воздуха при сжигании, чем один водород. Сгорание углеводородов приводит к выбросам углекислого газа (CO 2 ), оксида углерода (CO) и углеводородов (HC), в то время как водород (H 2 ) реагирует с кислородом (O 2 ), образуя только воду (H 2 O), при этом также выделяется некоторое количество непрореагировавшего H 2 . Как топливо на основе углеводородов, так и водородное топливо будут создавать загрязняющие вещества в виде оксидов азота (NO x ), поскольку температура выхлопных газов ракеты выше 1600 °C (2900 °F) будет термически объединять часть азота (N 2 ) и кислорода (O 2 ), уже присутствующих в атмосфере, для создания оксидов азота.
Первые ракеты Роберта Х. Годдарда работали на бензине.
Пока разрабатывалась спецификация RP-1, Rocketdyne экспериментировала с диэтилциклогексаном. Хотя он и превосходил RP-1, он так и не был принят для использования — его формула не была завершена до разработки Atlas и Titan I (разработанных на основе RP-1), что привело к тому, что RP-1 стал стандартным углеводородным ракетным топливом. [7]
Советские формулы обсуждаются выше. Кроме того, Советы недолгое время использовали синтин (русский: синтин ), формулу с более высокой энергией, используемую в верхних ступенях . Синтин — это 1-метил-1,2-дициклопропил циклопропан ( C
10ЧАС
16). Россия также работает над переключением « Союза-2» с РП-1 на «нафтил» [8] или «нафтил». [9] [10]
После стандарта RP-1 был разработан RP-2. Основное отличие — еще более низкое содержание серы. Однако, поскольку большинство пользователей принимают RP-1, не было стимула производить и хранить вторую, еще более редкую и более дорогую формулу.
Группа OTRAG запустила испытательные аппараты, используя более распространенные смеси. По крайней мере в одном случае ракета работала на дизельном топливе . Однако ни одна ракета OTRAG даже близко не подошла к орбите. [ необходима цитата ]