Ракета с монотопливом (или « монохимическая ракета ») — это ракета , в которой в качестве топлива используется одно химическое вещество .
Для монотопливных ракет, которые зависят от химической реакции , мощность движущей реакции и результирующая тяга обеспечивается самим химическим веществом. То есть энергия , необходимая для движения космического корабля, содержится в химических связях химических молекул , участвующих в реакции.
Наиболее часто используемым монотопливом является гидразин ( N 2 H 4 , или H 2 N-NH 2 ), соединение, нестабильное в присутствии катализатора и являющееся также сильным восстановителем . Наиболее распространенным катализатором является гранулированный оксид алюминия (оксид алюминия Al 2 O 3 ), покрытый иридием . Эти гранулы с покрытием обычно имеют коммерческие марки Aerojet S-405 (ранее производившиеся Shell ) [1] или WC Heraeus H-KC 12 GA (ранее производившиеся Kali Chemie). [2] Воспламенителя с гидразином нет . Aerojet S-405 является самопроизвольным катализатором, то есть гидразин разлагается при контакте с катализатором. Разложение является сильно экзотермическим и приводит к образованию газа 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 подвергаться каталитическому отравлению и каталитическому истиранию, что приводит к выходу катализатора из строя. Другим монотопливом является перекись водорода , которая при очистке до концентрации 90% и выше саморазлагается при высоких температурах или в присутствии катализатора.
Большинство монотопливных ракетных систем с химической реакцией состоят из топливного бака , обычно титановой или алюминиевой сферы, с контейнером из этилен-пропиленовой резины или устройством управления топливом поверхностного натяжения, заполненным топливом. Затем в бак нагнетается гелий или азот , который выталкивает топливо к двигателям. Из бака труба ведет 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 клапаном.
Ракетные двигатели ориентации для спутников и космических зондов часто очень маленькие, диаметром 25 мм (0,98 дюйма) или около того , и устанавливаются группами, направленными в четырех направлениях (внутри плоскости).
Ракета запускается, когда компьютер посылает постоянный ток через небольшой электромагнит , который открывает тарельчатый клапан. Выстрел часто бывает очень коротким, несколько миллисекунд , и, если его производить на воздухе, он будет звучать как камешек, брошенный в металлический мусорный бак; если работать долго, раздается пронзительное шипение.
Монотопливо с химической реакцией не так эффективно, как некоторые другие технологии движения. Инженеры выбирают монотопливные системы, когда потребность в простоте и надежности перевешивает потребность в высоком импульсе. Если двигательная установка должна производить большую тягу или иметь высокий удельный импульс , как на главном двигателе межпланетного космического корабля, используются другие технологии.
Концепция создания складов топлива на низкой околоземной орбите (НОО) , которые можно было бы использовать в качестве промежуточных станций для остановки и дозаправки других космических кораблей на пути к миссиям за пределами НОО, предполагает, что отходы газообразного водорода — неизбежного побочного продукта длительного хранения жидкого топлива Хранение водорода в радиационно-тепловой среде космоса — можно было бы использовать в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной установке. Отработанный водород будет продуктивно использоваться как для поддержания орбитальной станции , так и для управления ориентацией, а также для обеспечения ограниченного топлива и тяги для использования в орбитальных маневрах для лучшего сближения с другими космическими кораблями, которые будут приближаться для получения топлива со склада. [3]
Солнечно-тепловые моновинтовые двигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенной ракеты- носителя следующего поколения , предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задуман как более дешевый, более функциональный и более гибкий разгонный блок, который дополнит и, возможно, заменит существующие разгонные блоки ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). Опция ACES Integrated Vehicle Fluids исключает весь гидразин и гелий из космического корабля, который обычно используется для ориентации и удержания станции, и вместо этого зависит от солнечно-тепловых моновинтовых двигателей, использующих отработанный водород. [4]
НАСА разрабатывает новую монотопливную двигательную установку для небольших, недорогих космических кораблей с требованиями к перепаду скорости вращения в диапазоне 10–150 м/с. Эта система основана на монотопливной смеси нитрата гидроксиламмония (HAN)/воды/топлива, которая является чрезвычайно плотной, экологически безопасной и обещает хорошие характеристики и простоту. [5]
Компания EURENCO Bofors произвела LMP-103S как заменитель гидразина в соотношении 1:1 путем растворения 65% динитрамида аммония NH 4 N(NO 2 ) 2 в 35% водном растворе метанола и аммиака. ЛМП-103С имеет на 6% больший удельный импульс и на 30% большую плотность импульса, чем гидразиновое монотопливо. Кроме того, гидразин высокотоксичен и канцерогенен, а LMP-103S умеренно токсичен. LMP-103S соответствует классу ООН 1.4S, допускающему транспортировку на коммерческих самолетах, и был продемонстрирован на спутнике Prisma в 2010 году. Специального обращения не требуется. ЛМП-103С может заменить гидразин как наиболее часто используемый монотопливо. [6]
выпаренный отработанный водород является наиболее известным топливом (в качестве монотоплива в базовой солнечно-тепловой двигательной установке) для этой задачи. Практический склад должен выделять водород с минимальной скоростью, соответствующей потребностям содержания станции.