Высококачественная перекись ( HTP ) представляет собой высококонцентрированный (от 85 до 98%) раствор перекиси водорода , остальная часть которого состоит преимущественно из воды. При контакте с катализатором он разлагается на высокотемпературную смесь пара и кислорода, без остатка жидкой воды. Он использовался в качестве топлива ракет и торпед ПВТ , а также использовался для высокопроизводительных нониусных двигателей .
Перекись водорода лучше всего работает в качестве пропеллента в чрезвычайно высоких концентрациях (примерно более 70%). Хотя любая концентрация перекиси приводит к образованию некоторого количества горячего газа (кислорода плюс немного пара), при концентрации выше примерно 67% теплота разложения перекиси водорода становится достаточно большой, чтобы полностью испарить всю жидкость при стандартном давлении. Это представляет собой поворотный момент в области безопасности и использования, поскольку разложение любой концентрации выше этого количества способно полностью превратить жидкость в нагретый газ (чем выше концентрация, тем горячее образующийся газ). Эту очень горячую смесь пара и кислорода можно затем использовать для создания максимальной тяги, мощности или работы, но она также делает взрывное разложение материала гораздо более опасным.
Таким образом, нормальные концентрации топлива варьируются от 70 до 98%, с обычными уровнями 70, 85, 90 и 98%. [1]
Изменение объема перекиси при замерзании зависит от процента. Более низкие концентрации перекиси (45% или менее) расширяются при замораживании, тогда как более высокие концентрации (65% или выше) сжимаются. [2] : 4–39
Перекись водорода становится более стабильной при более высоком содержании перекиси. Например, 98% перекись водорода более стабильна, чем 70% перекись водорода. Вода действует как загрязнитель, и чем выше концентрация воды, тем менее стабильна пероксид. Хранимость пероксида зависит от соотношения поверхности и объема материалов, с которыми контактирует жидкость. Для повышения сохраняемости это соотношение следует свести к минимуму. [3]
При использовании с подходящим катализатором HTP можно использовать в качестве монотоплива [ 4] или с отдельным топливом в качестве двухкомпонентного топлива . [5]
HTP безопасно и успешно использовался во многих приложениях, начиная с использования немцами во время Второй мировой войны и продолжается по сей день. [6] Во время Второй мировой войны высокопрочный перекись использовался в качестве окислителя в некоторых немецких конструкциях двухкомпонентных ракет , таких как ракетный двигатель Walter HWK 509A , который использовался в конце Второй мировой войны на истребителе-перехватчике Messerschmitt Me 163 , включавшем 80 % унифицированной смеси Т-Стофф , а также в немецкой подводной лодке Тип XVII .
Некоторые важные программы США включают двигатели управления реакцией в программе X-15 и Bell Rocket Belt . Исследовательский аппарат НАСА Lunar Lander использовал его для тяги ракеты для имитации лунного спускаемого аппарата.
Королевский флот экспериментировал с HTP в качестве окислителя на экспериментальных высокоскоростных учебных подводных лодках Explorer и Excalibur в период с 1958 по 1969 год.
Первая российская торпеда ПВТ была известна под строго функциональным названием 53-57, где 53 относилось к диаметру торпедного аппарата в сантиметрах, а 57 — к году ее выпуска. Под влиянием конкуренции времен Холодной войны они заказали разработку более крупной торпеды ПВТ, которая будет стрелять из 65-сантиметровых (26-дюймовых) труб. ПВТ в одной из таких торпед Тип 65 12 августа 2000 года взорвался на борту и потопил подводную лодку К-141 «Курск ».
Британские эксперименты с HTP в качестве топлива для торпед были прекращены после того, как в 1956 году в результате пожара перекиси водорода погибла подводная лодка HMS Siden (P259) .
Британские эксперименты с HTP продолжились в области исследований в области ракетной техники, закончившись ракетами- носителями Black Arrow в 1971 году. Ракеты Black Arrow успешно запустили спутник Prospero X-3 из Вумеры, Южная Австралия, с использованием HTP и керосинового топлива.
Британская ракета Blue Steel, прикрепленная к бомбардировщикам Vulcan и Victor, в 1960-х годах производилась компанией AVRO. Использовалась 85% концентрация ПВТ. Чтобы зажечь двухкамерную ракету Stentor, ПВТ прошел через каталитический экран. Затем в две камеры впрыскивали керосин, чтобы создать тягу в 20 000 фунтов и 5 000 фунтов каждая. Большая камера предназначалась для набора высоты и ускорения, а маленькая — для поддержания крейсерской скорости. Ракета имела дальность полета 100 морских миль при запуске на большой высоте и около 50 морских миль при запуске на малой высоте (от 500 до 1000 футов). Его скорость составляла около 2,0 Маха. После запуска на большой высоте он поднимется на высоту от 70 000 до 80 000 футов. С момента запуска с малой высоты он поднимется всего на высоту 40 000 футов, но его скорость все равно будет около 2,0 Маха.
С концентрацией 82% он до сих пор используется на российской ракете «Союз» для привода турбонасосов ускорителей и орбитального корабля .
23 октября 1970 года автомобиль с ракетным двигателем Blue Flame установил мировой рекорд скорости на суше - 622,407 миль в час (1001,667 км/ч), используя комбинацию высокопрочного перекиси и сжиженного природного газа (СПГ), находящегося под давлением газообразного гелия. .
Перекись водорода пропеллентного качества используется в современных военных системах и в многочисленных программах оборонных и аэрокосмических исследований и разработок. Многие частные ракетные компании, такие как Blue Origin и несуществующая Armadillo Aerospace , используют перекись водорода ; а некоторые любительские группы выразили заинтересованность в производстве собственной перекиси как для собственного использования, так и для продажи в небольших количествах другим. ПВТ используется на суборбитальных ракетах ИЛР-33 «ЯНТАРЬ» [7] и «Нуклеус» [8] .
HTP планировалось использовать в попытке побить рекорд наземной скорости на автомобиле Bloodhound SSC с целью достичь скорости более 1000 миль в час (1600 км/ч). HTP должен был стать окислителем для гибридной ракеты, реагируя с твердым топливом полибутадиеном с концевыми гидроксильными группами . Проект застопорился из-за пандемии Covid-19 и отсутствия финансирования.
Доступными поставщиками высококонцентрированной перекиси водорода пропеллентного качества, как правило, являются одни из крупных коммерческих компаний, производящих другие сорта перекиси водорода, в том числе Solvay Interox , PeroxyChem (ранее FMC Global Peroxygens, подразделение FMC Corporation ), [ 9] и Эвоник . XL Space Systems модернизирует техническую перекись водорода до ПВТ. [10] Другие компании, которые в недавнем прошлом производили перекись водорода пропеллентного качества, включают Air Liquide и DuPont . DuPont недавно продала свой бизнес по производству перекиси водорода компании Evonik. ПВТ с высокой концентрацией предлагают Исследовательская сеть Лукасевича – Институт авиации с концентрациями до 99,99% [11] и Jakusz SpaceTech с концентрациями 85-98%. [12]
WEPA-Technologies может поставить как сами ПВТ, так и полностью автоматические установки, способные круглосуточно производить ПВТ в диапазоне концентраций 90 – 99,5 %. Заводы используют метод контейнерной установки и могут быть установлены по всему миру (производительность: 25 – 1500 кг/день). [13]
Перекись водорода пропеллентного качества доступна квалифицированным покупателям. Обычно это химическое вещество продается только компаниям или государственным учреждениям, которые имеют возможность правильно обращаться и использовать этот материал. Непрофессионалы приобрели перекись водорода концентрацией 70% и ниже (остальные 30% — это вода со следами примесей и стабилизирующих веществ, таких как соли олова, фосфаты, нитраты и другие химические добавки), и сами увеличили ее концентрацию. Перегонка с перекисью водорода чрезвычайно опасна; Пары перекиси не могут воспламениться, но выделившийся кислород может воспламенить любой материал, с которым он контактирует, детонация возможна в зависимости от определенных сочетаний температуры и давления, детонация является результатом быстрого реактивного испарения жидкости, приводящего к повышению температуры и давления. что привело к резкому разрыву содержащего сосуда. В общем, любая кипящая масса перекиси водорода высокой концентрации при атмосферном давлении приводит к образованию перекиси водорода в паровой фазе, которая может взорваться. Эта опасность смягчается, но не устраняется с помощью вакуумной перегонки. Другими подходами к концентрированию перекиси водорода являются барботаж и фракционная кристаллизация .
Перекись водорода в концентрации не менее 35% фигурирует в списке химических веществ, представляющих интерес Министерства внутренней безопасности США. [14]
Поскольку многие распространенные вещества катализируют экзотермическое разложение пероксида на пар и кислород, обращение с HTP требует особой осторожности и оборудования. Отмечается, что обычные материалы железо и медь несовместимы с перекисью, но реакция может задерживаться на секунды или минуты, в зависимости от марки используемой перекиси.
Небольшие разливы перекиси водорода легко устранить путем затопления территории водой. Это не только охлаждает реагирующую перекись, но и тщательно ее разбавляет. Поэтому места работы с перекисью водорода часто оборудуются аварийными душами, шлангами и дежурными по безопасности.
Контакт с кожей вызывает немедленное отбеливание из-за выработки кислорода под кожей. Обширные ожоги возникают, если их не смыть за считанные секунды. Контакт с глазами может вызвать слепоту, поэтому обычно используются средства защиты глаз.
Катастрофа подводной лодки «Курск» привела к случайному выбросу ПВТ в торпеде, которая вступила в реакцию с топливом торпеды.