Raketbrandstof bevat brandstof en oxidatiemiddel en heeft, in tegenstelling tot vliegtuigbrandstof, geen externe component nodig: lucht of water. Raketbrandstoffen worden, afhankelijk van hun aggregatietoestand, onderverdeeld in vloeibaar, vast en hybride. Vloeibare brandstoffen worden onderverdeeld in cryogene (met het kookpunt van de componenten onder nul graden Celsius) en hoogkokende (de rest). Vaste brandstoffen bestaan uit een chemische verbinding, een vaste oplossing of een geplastificeerd mengsel van componenten. Hybride brandstoffen bestaan uit componenten in verschillende geaggregeerde toestanden en bevinden zich momenteel in de onderzoeksfase.
Historisch gezien was de eerste raketbrandstof zwart poeder, een mengsel van salpeter (oxidator), houtskool (brandstof) en zwavel (bindmiddel), dat voor het eerst werd gebruikt in Chinese raketten in de 2e eeuw na Christus. Munitie met een raketmotor met vaste stuwstof (raketmotor met vaste stuwstof) werd in militaire aangelegenheden gebruikt als brand- en signaalmiddel.
Na de uitvinding van rookloos poeder aan het einde van de 19e eeuw, werd op basis daarvan een ééncomponent ballistietbrandstof ontwikkeld, bestaande uit een vaste oplossing van nitrocellulose (brandstof) in nitroglycerine (een oxidatiemiddel). Ballistietbrandstof heeft een veelvoud van hogere energie in vergelijking met zwart poeder, heeft een hoge mechanische sterkte, is goed gevormd, behoudt gedurende lange tijd chemische stabiliteit tijdens opslag en heeft een lage kostprijs. Deze kwaliteiten bepaalden het wijdverbreide gebruik van ballistische brandstof in de meest massieve munitie uitgerust met vaste drijfgassen - raketten en granaten.
De ontwikkeling in de eerste helft van de twintigste eeuw van wetenschappelijke disciplines als gasdynamica, verbrandingsfysica en de chemie van hoogenergetische verbindingen maakte het mogelijk om de samenstelling van raketbrandstoffen uit te breiden door het gebruik van vloeibare componenten. De eerste gevechtsraket met een raketmotor met vloeibare stuwstof (LPRE) "V-2" gebruikte een cryogeen oxidatiemiddel - vloeibare zuurstof en een hoogkokende brandstof - ethylalcohol.
Na de Tweede Wereldoorlog kregen raketwapens prioriteit in de ontwikkeling boven andere soorten wapens vanwege hun vermogen om nucleaire ladingen af te leveren aan een doel op elke afstand - van enkele kilometers (raketsystemen) tot intercontinentaal bereik (ballistische raketten). Bovendien hebben raketwapens artilleriewapens in de luchtvaart, luchtverdediging, grondtroepen en de marine aanzienlijk verdrongen vanwege het gebrek aan terugstootkracht bij het lanceren van munitie met raketmotoren.
Gelijktijdig met ballistische en vloeibare raketbrandstof, ontwikkelden multicomponent gemengde vaste stuwstoffen zich als het meest geschikt voor militair gebruik vanwege hun brede temperatuurbereik, eliminatie van het gevaar van morsen van componenten, lagere kosten van vaste stuwstof raketmotoren door de afwezigheid van pijpleidingen, kleppen en pompen met een hogere stuwkracht per gewichtseenheid.
De belangrijkste kenmerken van raketbrandstoffen:
Naast de aggregatietoestand van de componenten, worden raketbrandstoffen gekenmerkt door de volgende indicatoren:
- specifieke stuwkracht;
- thermische stabiliteit;
- chemische stabiliteit;
- biologische toxiciteit;
- dichtheid;
- rokerigheid.
De specifieke stuwkrachtimpuls van raketbrandstoffen hangt af van de druk en temperatuur in de verbrandingskamer van de motor, evenals de moleculaire samenstelling van de verbrandingsproducten. Bovendien hangt de specifieke impuls af van de expansieverhouding van het mondstuk van de motor, maar dit is meer gerelateerd aan de externe omgeving van rakettechnologie (luchtatmosfeer of de ruimte).
Verhoogde druk wordt geleverd door het gebruik van structurele materialen met een hoge sterkte (staallegeringen voor raketmotoren en organoplastische stoffen voor vaste stuwstoffen). In dit opzicht lopen raketmotoren met vloeibare stuwstof voor op vaste stuwstoffen vanwege de compactheid van hun voortstuwingseenheid in vergelijking met het lichaam van een motor met vaste brandstof, die één grote verbrandingskamer is.
De hoge temperatuur van de verbrandingsproducten wordt bereikt door metaalaluminium of een chemische verbinding - aluminiumhydride aan de vaste brandstof toe te voegen. Vloeibare brandstoffen kunnen dergelijke additieven alleen gebruiken als ze zijn verdikt met speciale additieven. Thermische bescherming van raketmotoren met vloeibare stuwstof wordt geboden door koeling met brandstof, thermische bescherming van vaste stuwstoffen - door het brandstofblok stevig aan de wanden van de motor te bevestigen en het gebruik van burnout-inzetstukken gemaakt van koolstof-koolstofcomposiet in het kritieke gedeelte van het mondstuk.
De moleculaire samenstelling van de verbrandings-/ontledingsproducten van de brandstof beïnvloedt de stroomsnelheid en hun aggregatietoestand bij de uitgang van de verstuiver. Hoe lager het gewicht van de moleculen, hoe hoger de stroomsnelheid: de meest geprefereerde verbrandingsproducten zijn watermoleculen, gevolgd door stikstof, kooldioxide, chlooroxiden en andere halogenen; de minste voorkeur heeft aluminiumoxide, dat condenseert tot een vaste stof in het mondstuk van de motor, waardoor het volume van expanderende gassen wordt verminderd. Bovendien dwingt de aluminiumoxidefractie het gebruik van conische nozzles af vanwege de abrasieve slijtage van de meest efficiënte parabolische Laval-nozzles.
Voor militaire raketbrandstoffen is hun thermische stabiliteit van bijzonder belang vanwege het brede temperatuurbereik van rakettechnologie. Daarom werden cryogene vloeibare brandstoffen (zuurstof + kerosine en zuurstof + waterstof) alleen gebruikt in de beginfase van de ontwikkeling van intercontinentale ballistische raketten (R-7 en Titan), evenals voor lanceervoertuigen van herbruikbare ruimtevoertuigen (Space Shuttle en Energia) bedoeld voor het lanceren van satellieten en ruimtewapens in een lage baan om de aarde.
Momenteel gebruikt het leger uitsluitend hoogkokende vloeibare brandstof op basis van stikstoftetroxide (AT, oxidator) en asymmetrische dimethylhydrazine (UDMH, brandstof). De thermische stabiliteit van dit brandstofpaar wordt bepaald door het kookpunt van AT (+ 21 ° C), wat het gebruik van deze brandstof door raketten onder thermostatische omstandigheden in ICBM- en SLBM-raketsilo's beperkt. Vanwege de agressiviteit van de componenten was / is de technologie van hun productie en werking van rakettanks eigendom van slechts één land ter wereld - de USSR / RF (ICBM's "Voevoda" en "Sarmat", SLBM's "Sineva" en " Voering"). Bij wijze van uitzondering wordt AT + NDMG gebruikt als brandstof voor de Kh-22 Tempest-kruisraketten voor vliegtuigen, maar vanwege problemen met de grondoperatie zullen de Kh-22 en hun volgende generatie Kh-32 worden vervangen door straalmotoren Zirkoon kruisraketten die kerosine gebruiken als brandstof.
De thermische stabiliteit van vaste brandstoffen wordt voornamelijk bepaald door de overeenkomstige eigenschappen van het oplosmiddel en het polymeerbindmiddel. In de samenstelling van ballistietbrandstoffen is het oplosmiddel nitroglycerine, dat in een vaste oplossing met nitrocellulose een temperatuurbereik heeft van min tot plus 50 ° C. In gemengde brandstoffen worden verschillende synthetische rubbers met hetzelfde bedrijfstemperatuurbereik als polymeerbindmiddel gebruikt. De thermische stabiliteit van de belangrijkste componenten van vaste brandstoffen (ammoniumdinitramide + 97 ° C, aluminiumhydride + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, ammoniumperchloraat en HMX + 200 ° C) overtreft echter aanzienlijk de vergelijkbare eigenschap van bekende bindmiddelen, en daarom is het relevant zoeken naar hun nieuwe composities.
Het chemisch meest stabiele brandstofpaar is AT + UDMG, omdat er een unieke binnenlandse technologie voor ampulopslag in aluminium tanks onder een lichte overmatige stikstofdruk voor een bijna onbeperkte tijd voor is ontwikkeld. Alle vaste brandstoffen worden na verloop van tijd chemisch afgebroken door de spontane ontleding van polymeren en hun technologische oplosmiddelen, waarna oligomeren chemische reacties aangaan met andere, stabielere brandstofcomponenten. Daarom moeten schijven voor vaste stuwstof regelmatig worden vervangen.
De biologisch giftige component van raketbrandstoffen is UDMH, dat het centrale zenuwstelsel, de slijmvliezen van de ogen en het menselijke spijsverteringskanaal aantast en kanker veroorzaakt. In dit verband wordt met UDMH gewerkt in isolerende chemische beschermingspakken met behulp van onafhankelijke ademhalingsapparatuur.
De waarde van de brandstofdichtheid is rechtstreeks van invloed op de massa van de LPRE-brandstoftanks en het raketlichaam van de vaste stuwstof: hoe hoger de dichtheid, hoe minder de parasitaire massa van de raket. De laagste dichtheid van het waterstof + zuurstof-brandstofpaar is 0,34 g / cu. cm, een paar kerosine + zuurstof heeft een dichtheid van 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycerine - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminiumhydride + perchloraat / ammoniumdinitramide - 1,7 g / cc, HMX + ammoniumperchloraat - 1,9 g / cc. In dit geval moet er rekening mee worden gehouden dat de axiale verbranding van de raketmotor met vaste stuwstof, de dichtheid van de brandstoflading ongeveer twee keer minder is dan de dichtheid van de brandstof vanwege het stervormige gedeelte van het verbrandingskanaal, dat wordt gebruikt om een constante druk in de verbrandingskamer te handhaven, ongeacht de mate van doorbranden van de brandstof. Hetzelfde geldt voor ballistische brandstoffen, die worden gevormd als een reeks riemen of stokken om de brandtijd en versnellingsafstand van raketten en raketten te verkorten. In tegenstelling tot hen valt de dichtheid van de brandstoflading in raketmotoren met vaste stuwstof van eindverbranding op basis van HMX samen met de maximale dichtheid die ervoor is aangegeven.
De laatste van de belangrijkste kenmerken van raketbrandstoffen is de rook van verbrandingsproducten, waardoor de vlucht van raketten en raketten visueel wordt ontmaskerd. Dit kenmerk is inherent aan vaste brandstoffen die aluminium bevatten, waarvan de oxiden worden gecondenseerd tot een vaste toestand tijdens expansie in het mondstuk van de raketmotor. Daarom worden deze brandstoffen gebruikt in vaste stuwstoffen van ballistische raketten, waarvan het actieve deel van de baan buiten het gezichtsveld van de vijand ligt. Vliegtuigraketten worden gevoed met HMX en ammoniumperchloraatbrandstof, raketten, granaten en antitankraketten - met ballistische brandstof.
Energie van raketbrandstoffen
Om de energiecapaciteiten van verschillende soorten raketbrandstof te vergelijken, is het noodzakelijk om vergelijkbare verbrandingsomstandigheden voor hen in te stellen in de vorm van druk in de verbrandingskamer en de expansieverhouding van het mondstuk van de raketmotor - bijvoorbeeld 150 atmosfeer en 300-voudig uitbreiding. Dan, voor brandstofparen / drielingen, zal de specifieke impuls zijn:
zuurstof + waterstof - 4,4 km / s;
zuurstof + kerosine - 3,4 km / s;
BIJ + NDMG - 3,3 km / s;
ammoniumdinitramide + waterstofhydride + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperchloraat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperchloraat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycerine - 2,5 km / s.
Vaste brandstof op basis van ammoniumdinitramide is een binnenlandse ontwikkeling van de late jaren 1980, het werd gebruikt als brandstof voor de tweede en derde fase van RT-23 UTTKh en R-39 raketten en is nog niet overtroffen in energie-eigenschappen door de beste monsters van buitenlandse brandstof op basis van ammoniumperchloraat, gebruikt in de Minuteman-3- en Trident-2-raketten. Ammoniumdinitramide is een explosief dat zelfs door lichtstraling ontploft; daarom wordt de productie ervan uitgevoerd in kamers die worden verlicht door rode lampen met een laag vermogen. Technologische problemen lieten niet toe om het productieproces van raketbrandstof overal ter wereld onder de knie te krijgen, behalve in de USSR. Een ander ding is dat de Sovjettechnologie alleen routinematig werd geïmplementeerd in de chemische fabriek van Pavlograd, gelegen in de regio Dnepropetrovsk van de Oekraïense SSR, en verloren ging in de jaren negentig nadat de fabriek was omgebouwd om huishoudelijke chemicaliën te produceren. Afgaande op de tactische en technische kenmerken van veelbelovende wapens van het type RS-26 "Rubezh", werd de technologie echter in de jaren 2010 in Rusland hersteld.
Een voorbeeld van een zeer effectieve samenstelling is de samenstelling van vaste raketbrandstof uit het Russische octrooi nr. 2241693, eigendom van de Federal State Unitary Enterprise Perm Plant genoemd naar CM. Kirov :
oxidatiemiddel - ammoniumdinitramide, 58%;
brandstof - aluminiumhydride, 27%;
weekmaker - nitroisobutyltrinitraatglycerine, 11, 25%;
bindmiddel - polybutadieennitrilrubber, 2, 25%;
verharder - zwavel, 1,49%;
verbrandingsstabilisator - ultrafijn aluminium, 0,01%;
additieven - roet, lecithine, enz.
Vooruitzichten voor de ontwikkeling van raketbrandstoffen
De belangrijkste richtingen voor de ontwikkeling van vloeibare raketbrandstoffen zijn (in volgorde van prioriteit van implementatie):
- het gebruik van onderkoelde zuurstof om de dichtheid van het oxidatiemiddel te verhogen;
- overgang naar een brandstofdamp zuurstof + methaan, waarvan de brandbare component 15% meer energie en 6 keer betere warmtecapaciteit heeft dan kerosine, rekening houdend met het feit dat aluminium tanks worden gehard bij de temperatuur van vloeibaar methaan;
- toevoeging van ozon aan de zuurstofsamenstelling op een niveau van 24% om het kookpunt en de energie van de oxidator te verhogen (een groot deel van ozon is explosief);
- het gebruik van thixotrope (verdikte) brandstof waarvan de componenten suspensies van pentaboraan, pentafluoride, metalen of hun hydriden bevatten.
Onderkoelde zuurstof wordt al gebruikt in het Falcon 9-draagraket; zuurstof + methaan-aangedreven raketmotoren worden ontwikkeld in Rusland en de Verenigde Staten.
De belangrijkste richting in de ontwikkeling van vaste raketbrandstoffen is de overgang naar actieve bindmiddelen die zuurstof in hun moleculen bevatten, wat de oxidatiebalans van vaste stuwstoffen als geheel verbetert. Een modern huishoudelijk monster van een dergelijk bindmiddel is de polymeersamenstelling "Nika-M", die cyclische groepen van dinitrildioxide en butyleendiolpolyetherurethaan omvat, ontwikkeld door het Staatsonderzoeksinstituut "Kristall" (Dzerzhinsk).
Een andere kansrijke richting is de uitbreiding van het assortiment gebruikte nitramine explosieven, die een hogere zuurstofbalans hebben in vergelijking met HMX (min 22%). Allereerst zijn dit hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, zuurstofbalans minus 10%) en octanitrocubane (zero zuurstofbalans), waarvan de vooruitzichten afhangen van het verlagen van de productiekosten - momenteel is Cl-20 een orde van grootte duurder dan HMX is octonitrocubane een orde van grootte duurder dan Cl-twintig.
Naast het verbeteren van de bekende typen componenten wordt er ook onderzoek gedaan naar het maken van polymeerverbindingen waarvan de moleculen uitsluitend bestaan uit stikstofatomen die door enkelvoudige bindingen zijn verbonden. Als gevolg van de ontleding van een polymeerverbinding onder invloed van verwarming, vormt stikstof eenvoudige moleculen van twee atomen die zijn verbonden door een drievoudige binding. De energie die in dit geval vrijkomt, is tweemaal de energie van nitramine-explosieven. Voor het eerst werden in 2009 stikstofverbindingen met een diamantachtig kristalrooster verkregen door Russische en Duitse wetenschappers tijdens experimenten op een gezamenlijke proeffabriek onder inwerking van een druk van 1 miljoen atmosfeer en een temperatuur van 1725 ° C. Momenteel wordt er gewerkt aan het bereiken van de metastabiele toestand van stikstofpolymeren bij normale druk en temperatuur.
Hogere stikstofoxiden zijn veelbelovende zuurstofhoudende chemische verbindingen. Het bekende stikstofmonoxide V (waarvan een plat molecuul bestaat uit twee stikstofatomen en vijf zuurstofatomen) is vanwege het lage smeltpunt (32°C) van geen praktische waarde als bestanddeel van vaste brandstof. Onderzoeken in deze richting worden uitgevoerd door te zoeken naar een methode voor de synthese van stikstofmonoxide VI (tetrastikstofhexaoxide), waarvan het raamwerkmolecuul de vorm heeft van een tetraëder, met op de hoekpunten vier stikstofatomen gebonden aan zes zuurstofatomen aan de randen van de tetraëder. De volledige sluiting van interatomaire bindingen in het molecuul stikstofmonoxide VI maakt het mogelijk om een verhoogde thermische stabiliteit te voorspellen, vergelijkbaar met die van urotropine. De zuurstofbalans van stikstofmonoxide VI (plus 63%) maakt het mogelijk om het soortelijk gewicht van dergelijke hoogenergetische componenten zoals metalen, metaalhydriden, nitramines en koolwaterstofpolymeren in de vaste raketbrandstof aanzienlijk te verhogen.
