Монотопливная ракета (или « монохимическая ракета ») — это ракета , которая использует в качестве топлива одно химическое вещество . [1] Монотопливные ракеты обычно используются в качестве небольших ракет для управления ориентацией и траекторией в спутниках , верхних ступенях ракет, пилотируемых космических кораблях и космопланах. [2]
Простейшие монотопливные ракеты работают на основе химического разложения хранимого топлива после его пропускания через слой катализатора. [3] Энергия для двигателя поступает от газа высокого давления, создаваемого в ходе реакции разложения, что позволяет соплу ракеты разгонять газ для создания тяги.
Наиболее часто используемым монотопливом является гидразин ( N 2 H 4 , или H 2 N−NH 2 ), соединение, нестабильное в присутствии катализатора , а также являющееся сильным восстановителем . Наиболее распространенным катализатором является гранулированный оксид алюминия (оксид алюминия, Al 2 O 3 ), покрытый иридием . Эти покрытые гранулы обычно имеют коммерческие марки Aerojet S-405 (ранее производился Shell ) [4] или WC Heraeus H-KC 12 GA (ранее производился Kali Chemie). [5] В гидразине нет воспламенителя . Aerojet S-405 является спонтанным катализатором, то есть гидразин разлагается при контакте с катализатором. Разложение является сильно экзотермическим и производит газ с температурой 1000 °C (1830 °F), который представляет собой смесь азота , водорода и аммиака . Основным ограничивающим фактором монотопливной ракеты является ее срок службы, который в основном зависит от срока службы катализатора. Катализатор может быть подвержен каталитическому отравлению и каталитическому истиранию, что приводит к выходу катализатора из строя. Другим монотопливом является перекись водорода , которая при очистке до 90% или более высокой концентрации саморазлагается при высоких температурах или в присутствии катализатора.
Большинство химических реакционных монотопливных ракетных систем состоят из топливного бака , обычно титановой или алюминиевой сферы, с контейнером из этиленпропиленовой резины или устройством управления поверхностным натяжением топлива , заполненным топливом. Затем бак нагнетается под давлением с помощью гелия или азота , который выталкивает топливо в двигатели. Труба ведет от бака к тарельчатому клапану , а затем в камеру разложения ракетного двигателя. Обычно спутник будет иметь не один двигатель, а от двух до двенадцати, каждый со своим собственным клапаном.
Ракетные двигатели управления ориентацией спутников и космических зондов часто очень малы, около 25 мм (0,98 дюйма) в диаметре , и установлены группами, направленными в четырех направлениях (в пределах плоскости).
Ракета запускается, когда компьютер посылает постоянный ток через небольшой электромагнит , который открывает тарельчатый клапан. Запуск часто очень короткий, несколько миллисекунд , и — если он работает на воздухе — будет звучать как камешек, брошенный в металлический мусорный бак; если он будет работать долго, он издаст пронзительное шипение.
Химически-реакционные монотопливные системы не так эффективны, как некоторые другие технологии движения. Инженеры выбирают монотопливные системы, когда потребность в простоте и надежности перевешивает потребность в высоком импульсе. Если двигательная система должна производить большое количество тяги или иметь высокий удельный импульс , как в главном двигателе межпланетного космического корабля, используются другие технологии.
Концепция создания топливных складов на низкой околоземной орбите (НОО) , которые могли бы использоваться в качестве промежуточных станций для других космических аппаратов для остановки и дозаправки на пути к миссиям за пределами НОО, предполагает, что отходы газообразного водорода — неизбежный побочный продукт длительного хранения жидкого водорода в лучистой тепловой среде космоса — могли бы использоваться в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной системе. Отходы водорода могли бы продуктивно использоваться как для поддержания орбитальной станции, так и для управления ориентацией, а также для обеспечения ограниченного количества топлива и тяги для использования при орбитальных маневрах для лучшего сближения с другими космическими аппаратами, которые будут прибывать, чтобы получить топливо из склада. [6]
Солнечно-термические монотопливные двигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенной верхней ступени ракеты следующего поколения , предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задумана как более дешевая, более мощная и более гибкая верхняя ступень, которая дополнит и, возможно, заменит существующие верхние ступени ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). Опция ACES Integrated Vehicle Fluids исключает весь гидразин и гелий из космического аппарата, обычно используемые для управления ориентацией и удержания на месте, и вместо этого зависит от солнечно-термических монотопливных двигателей, использующих отработанный водород. [7]
_retouched.jpg/1280px-Lunar_Landing_Research_Vehicle_No._2_in_1967_(ECN-1606)_retouched.jpg)
Советские конструкторы начали экспериментировать с монотопливными ракетами еще в 1933 году. [8] Они считали, что их монотопливные смеси тетроксида азота с бензином или толуолом и керосином приведут к общей более простой системе; однако они столкнулись с проблемами, связанными с сильными взрывами, когда предварительно смешанное топливо и окислитель служили в качестве монотоплива, что заставило конструкторов отказаться от этого подхода. [8]
Хельмут Вальтер был немецким инженером, одним из первых создателей ракет на монотопливе, использующих перекись водорода в качестве топлива. [9] Хотя его первоначальная работа была посвящена подводным лодкам, те же струи кислорода, которые вырабатывались при сгорании в газовых турбинах, можно было направлять через сопло для создания тяги. [9] Ракета, разработанная Вальтером, использовалась в немецком истребителе ME-163 в 1944 году, первом самолете, преодолевшем скорость в 1000 км/ч (635 миль/ч). [9]
После Второй мировой войны британцы продолжили эксперименты с монотопливом на основе перекиси водорода. [9] Они разработали de Havilland Sprite — ракету на перекиси водорода, которая могла производить 5000 фунтов тяги в течение 16 секунд. Не предназначенная для космических полетов, ракета должна была обеспечить высокую взлетную мощность для de Havilland Comet 1 — первого коммерческого реактивного авиалайнера. [9]
В Соединенных Штатах, когда NASA начало изучать монотопливо в Лаборатории реактивного движения (JPL), свойства существующих топлив требовали, чтобы двигатели были непрактично большими. [10] Добавление катализатора и предварительного нагрева топлива сделало их более эффективными, но вызвало опасения по поводу безопасности и обращения с опасными топливами, такими как безводный гидразин . [10] Однако простота двигателей, разработанных на основе ранних монотоплив, предлагала много упрощений и была впервые испытана в 1959 году в миссии Able-4 . [11] Это испытание позволило миссиям Ranger и Mariner использовать аналогичный двигатель для корректирующих маневров [11] и при выводе на орбиту Telstar , который Национальный музей авиации и космонавтики считает самым значительным спутником связи в начале космической гонки. [12]
В 1964 году НАСА начало использовать исследовательский лунный модуль для обучения астронавтов «Аполлона» пилотированию лунного экскурсионного модуля (LEM) с использованием системы управления ориентацией, состоящей из 16 двигателей на монотопливе, работающем на перекиси водорода, для управления LEM на лунной поверхности. [13]
В начале 1960-х годов в качестве удобного устройства управления верхние ступени ракеты-носители начали использовать монотопливные двигатели, когда компания General Dynamics предложила ВВС США верхнюю ступень Centaur [14] , версии которой до сих пор используются в ракетах Atlas и Vulcan компании United Launch Alliance . [15]
NASA разрабатывает новую монотопливную двигательную систему для небольших, экономичных космических аппаратов с требованиями к дельта-v в диапазоне 10–150 м/с. Эта система основана на смеси монотоплива гидроксиламмония нитрата (HAN)/воды/топлива, которая чрезвычайно плотная, экологически безопасная и обещает хорошую производительность и простоту. [16]
Компания EURENCO Bofors произвела LMP-103S как замену гидразина 1 к 1 путем растворения 65% динитрамида аммония , NH 4 N(NO 2 ) 2 , в 35% водном растворе метанола и аммиака. LMP-103S имеет на 6% более высокий удельный импульс и на 30% более высокую плотность импульса, чем гидразиновое монотопливо. Кроме того, гидразин является высокотоксичным и канцерогенным, в то время как LMP-103S является лишь умеренно токсичным. LMP-103S имеет класс ООН 1.4S, что позволяет перевозить его на коммерческих самолетах, и был продемонстрирован на спутнике Prisma в 2010 году. Специальное обращение не требуется. LMP-103S может заменить гидразин как наиболее часто используемое монотопливо. [17] [18]
{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)отработанный водород, который выкипел, является самым известным топливом (как монотопливо в базовой солнечно-тепловой двигательной системе) для этой задачи. Практическое хранилище должно выделять водород с минимальной скоростью, которая соответствует требованиям содержания станции.