Гиперголическое топливо

Дежурный носит полный защитный костюм из-за опасности гиперголического топлива гидразина , которое здесь загружается на «Мессенджер» . космический зонд

Гиперголическое топливо — это комбинация ракетного топлива, используемая в ракетном двигателе , компоненты которого самопроизвольно воспламеняются при контакте друг с другом.

Два компонента топлива обычно состоят из топлива и окислителя . Основные преимущества гиперголического топлива заключаются в том, что его можно хранить в жидком виде при комнатной температуре и что двигатели, работающие на нем, легко и надежно и многократно зажигаются. С обычными гиперголическими порохами трудно обращаться из-за их чрезвычайной токсичности и коррозионной активности .

В современном использовании термины «гипергол» и «гиперголовый порох» обычно означают наиболее распространенную такую ​​комбинацию порохов: тетроксид динитрогена плюс гидразин .

История

В 1935 году Хельмут Вальтер обнаружил, что гидразингидрат гиперголичен при концентрации перекиси с высоким содержанием перекиси 80–83%. Вероятно, он был первым, кто открыл это явление и приступил к разработке топлива. Профессор Отто Лутц помогал компании Walter в разработке C-Stoff , который содержал 30% гидразингидрата, 57% метанола и 13% воды и самопроизвольно воспламенялся от высококонцентрированной перекиси водорода . BMW разработала двигатели, сжигающие гиперголическую смесь азотной кислоты с различными комбинациями аминов, ксилидинов и анилинов .

Гиперголическое топливо было открыто независимо, во второй раз, в США исследователями GALCIT и военно-морского флота Аннаполиса в 1940 году. Они разработали двигатели, работающие на анилине и красной дымящей азотной кислоте (RFNA). Роберт Годдард , Reaction Motors и Кертисс-Райт работали над двигателями на основе анилина и азотной кислоты в начале 1940-х годов для небольших ракет и реактивного взлета ( JATO ). Результатом проекта стал успешный взлет нескольких бомбардировщиков Martin PBM и PBY, но проект не понравился из-за токсичных свойств топлива и окислителя, а также высокой температуры замерзания анилина. Вторая проблема в конечном итоге была решена добавлением небольших количеств фурфурилового спирта . к анилину

Ранний гиперголический ракетный двигатель Walter 109-509A 1942–45 годов.

В Германии с середины 1930-х годов до Второй мировой войны ракетное топливо широко классифицировалось как монерголы , гиперголы, негиперголы и литерголы . Окончание эргол представляет собой комбинацию греческого ergon или работы и латинского oleum или масла, на которое позже повлиял химический суффикс -ol от алкоголя . Монерголы были монотопливами , негиперголы были битопливами, требующими внешнего воспламенения, а литерголы представляли собой гибриды твердого и жидкого топлива. Гиперголическое топливо (или, по крайней мере, гиперголическое зажигание) было гораздо менее склонно к жесткому запуску, чем электрическое или пиротехническое зажигание. Терминология «гипергола» была придумана доктором Вольфгангом Нёггератом из Технического университета Брауншвейга , Германия.

Единственным когда-либо использовавшимся истребителем с ракетным двигателем был Мессершмитт Me 163 B Komet . У «Кометы» был HWK 109-509 , ракетный двигатель, который потреблял метанол/гидразин в качестве топлива и высокопрочный пероксид T-Stoff в качестве окислителя. Гиперголический ракетный двигатель имел преимущество быстрого набора высоты и тактики быстрого нанесения ударов, но был очень нестабильным и мог взорваться при любой степени невнимательности. Другие предложенные боевые ракетные истребители, такие как Heinkel Julia , и самолеты-разведчики, такие как DFS 228, должны были использовать ракетные двигатели серии Walter 509, но, кроме Me 163, только истребитель одноразового использования с вертикальным стартом Bachem Ba 349 Natter когда-либо проходил летные испытания с Ракетная двигательная установка «Вальтер» в качестве основной системы поддержания тяги самолетов военного назначения.

Самые ранние баллистические ракеты , такие как советская Р-7 , запустившая «Спутник-1» , а также американские «Атлас» и «Титан-1» , использовали керосин и жидкий кислород . Хотя их предпочитают в космических ракетах-носителях, трудности с хранением криогена , такого как жидкий кислород, в ракете, которую нужно было держать готовой к запуску в течение месяцев или лет, привели к переходу на гиперголическое топливо на американском Титане II и в большинстве советских ракет. МБР, такие как Р-36 . Но трудности, связанные с такими коррозийными и токсичными материалами, включая утечки, приводящие к травмам, и взрыв Титана-II в его шахте, привело к их практически повсеместной замене твердотопливными ускорителями сначала в западных баллистических ракетах подводных лодок , а затем в американских и советских межконтинентальных баллистических ракетах наземного базирования.

, Лунный модуль «Аполлон» использовавшийся при высадке на Луну , использовал гиперголическое топливо как в спускаемых, так и в поднимающихся ракетных двигателях. Космический корабль «Аполлон» использовал ту же комбинацию для служебной двигательной установки . Эти космические корабли и космический шаттл (среди прочих) использовали гиперголическое топливо для своих систем управления реакцией .

Среди западных космических агентств наблюдается тенденция отказа от больших гиперголических ракетных двигателей к водородно-кислородным двигателям с более высокими характеристиками. Ариана с 1 по 4 с их гиперголическими первой и второй ступенями (и дополнительными гиперголическими ускорителями на Ариане 3 и 4) были сняты с эксплуатации и заменены Арианой 5, в которой используется первая ступень, работающая на жидком водороде и жидком кислороде. Титаны II, III и IV с их гиперголическими первой и второй ступенями также были сняты с производства. Гиперголическое топливо по-прежнему широко используется на верхних ступенях, когда требуется несколько периодов горения на выбеге, а также в системах аварийного спасения при запуске .

Характеристики

Гиперголические топливные баки орбитальной системы маневрирования космического корабля " Индевор"

Преимущества

Ракетные двигатели на гиперголическом топливе обычно просты и надежны, поскольку им не нужна система зажигания. Хотя более крупные гиперголические двигатели в некоторых ракетах-носителях используют турбонасосы , большинство гиперголических двигателей питаются под давлением. Газ, обычно гелий , подается в топливные баки под давлением через ряд обратных и предохранительных клапанов . Топливо, в свою очередь, проходит через регулирующие клапаны в камеру сгорания; там их мгновенное контактное зажигание предотвращает накопление и последующее воспламенение смеси непрореагировавших топлив при потенциально катастрофическом жестком запуске .

Поскольку гипергольным ракетам не нужна система зажигания, они могут запускаться любое количество раз, просто открывая и закрывая топливные клапаны до тех пор, пока топливо не израсходуется, и поэтому они уникально подходят для маневрирования космического корабля и хорошо подходят, хотя и не однозначно, в качестве верхних ступеней. таких космических ракет-носителей, как « Дельта-2» и «Ариан-5» , которые должны выполнить более одного запуска. Тем не менее, существуют перезапускаемые негиперголические ракетные двигатели, в частности криогенные (кислородно-водородные) RL-10 на « Кентавре» и J-2 на «Сатурне-5» . RP -1 /LOX Merlin на Falcon 9 также можно перезапустить.

Наиболее распространенные гиперголические топлива, гидразин , монометилгидразин и несимметричный диметилгидразин , а также окислитель, тетраоксид азота , являются жидкими при обычных температурах и давлениях. Поэтому их иногда называют хранимыми жидкими ракетами-вытеснителями . Они подходят для использования в многолетних миссиях космических кораблей. Криогенность пока ограничивает их практическое применение космическими ракетами-носителями , жидкого водорода и жидкого кислорода где их необходимо хранить лишь кратковременно. Поскольку самой большой проблемой при использовании криогенного топлива в межпланетном пространстве является выкипание, которое во многом зависит от размера космического корабля, для более крупных кораблей, таких как Starship, это не является такой проблемой.

Еще одним преимуществом гиперголических порохов является их высокая плотность по сравнению с криогенными порохами. LOX имеет плотность 1,14 г/мл, в то время как гипергольные окислители, такие как азотная кислота или четырехокись азота, имеют плотность 1,55 г/мл и 1,45 г/мл соответственно. Топливо LH2 обладает чрезвычайно высокими характеристиками, однако его плотность гарантирует его использование только на самых крупных ступенях ракет, в то время как смеси гидразина и НДМГ имеют плотность как минимум в десять раз выше. Это имеет большое значение для космических зондов , поскольку более высокая плотность топлива позволяет значительно уменьшить размер их топливного бака, что, в свою очередь, позволяет зонду помещаться в меньший по размеру обтекатель полезной нагрузки .

Недостатки

По отношению к своей массе традиционное гиперголическое топливо обладает более низкой теплотворной способностью , чем комбинации криогенного топлива, такие как LH2 / LOX или LCH4 / LOX . Поэтому ракета-носитель, использующая гиперголическое топливо, должна нести большую массу топлива, чем та, которая использует это криогенное топливо.

Коррозионная активность , токсичность и канцерогенность традиционных гиперголиков требуют дорогостоящих мер предосторожности. Несоблюдение адекватных мер безопасности при обращении с исключительно опасной пороховой смесью НДМГ и азотной кислоты, получившей прозвище «Яд дьявола» , например, привело к самой смертоносной ракетной катастрофе в истории — катастрофе в Неделине .

Гиперголические комбинации

Общий

Распространенные комбинации гиперголического топлива включают:

• Аэрозин 50 + тетраоксид азота (NTO) – широко использовался в исторических американских ракетах, включая Титан II ; все двигатели лунного модуля «Аполлон» . Аэрозин 50 представляет собой смесь 50% НДМГ и 50% прямого гидразина (N ₂ H ₄ ).
• Монометилгидразин (MMH) + тетраоксид азота (NTO) - двигатели меньшего размера и двигатели управления реакцией: модуль управления и обслуживания Apollo RCS , Спейс Шаттл OMS и RCS ; Ариан 5 ЭПС; Двигатели Draco , используемые космическим кораблем SpaceX Dragon .
• Триэтилборан / триэтилалюминий (TEA-TEB) + жидкий кислород — используется в процессе зажигания некоторых ракетных двигателей, использующих жидкий кислород, используемых в семействе двигателей SpaceX Merlin Engine и Rocketdyne F-1 .
• Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) + тетраоксид азота (НТО) – часто используется Роскосмосом , например, в «Протоне» (семейство ракет) , и поставляется им во Францию ​​для первой и второй ступеней Ariane 1 (заменен на UH 25 ); ISRO Ракеты с двигателем Vikas .

Менее распространены или устарели

Менее распространенные или устаревшие гиперголические топлива включают:

• Анилин + азотная кислота (нестабильная, взрывоопасная), используется в ВАК Капрал.
• Анилин + перекись водорода (пылечувствительный, взрывоопасный)
• Фурфуриловый спирт + IRFNA (или красная дымящая азотная кислота ) – Copenhagen Suborbitals SPECTRA Engine
• Фурфуриловый спирт + WFNA (или белая дымящая азотная кислота )
• Гидразин + азотная кислота (токсична, но стабильна), от нее отказались из-за отсутствия надежного воспламенения. Ни один двигатель с такой комбинацией так и не пошел в массовое производство.
• Керосин + ( перекись высокой пробы + катализатор) – Гамма , при этом пероксид сначала разлагается катализатором. Холодная перекись водорода и керосин не являются гиперголическими, но концентрированная перекись водорода (называемая перекисью высоких испытаний или HTP), проходящая через катализатор, дает свободный кислород и пар при температуре более 700 ° C (1300 ° F), что является гиперголией по отношению к керосину.
• Тонка (ТГ-02, примерно 50% триэтиламина и 50% ксилидина ), как правило, окисляется азотной кислотой или ее безводными производными оксида азота (группа АК-2х в Советском Союзе), например АК-20Ф (80% HNO ₃ и 20% N ₂ O ₄ с ингибитором ).
• T-Stoff (стабилизированный перекись>80%) + C-Stoff (метанол, гидразин, вода, катализатор) - Messerschmitt Me 163 немецкий ракетный истребитель времен Второй мировой войны для двигателя Walter 109-509A .
• Скипидар + IRFNA (летал на французском Diamant A на первой ступени)
• УДМГ + ИРФНА – MGM-52 Lance , ракетный комплекс Разгонные блоки Agena и Aable , маневренные двигатели Исаева.

Предлагается, остается невыполненным

• Трифторид хлора (ClF ₃ ) + все известные виды топлива. Кратковременно рассматривался как окислитель, учитывая его высокую гиперголичность по отношению ко всем стандартным топливам, но в конечном итоге от него отказались в 70-х годах из-за сложности безопасного обращения с этим веществом. трифторид хлора сжигает бетон и гравий. Известно, что Пентафторид хлора (ClF ₅ ) представляет ту же опасность, но имеет более высокий удельный импульс, чем ClF ₃ .
• Пентаборан(9) и диборан + четырехокись азота – Пентаборан(9) , так называемое Зип-топливо , изучалось советским ракетостроителем В.П. Глушко для использования в сочетании с четырехокисью азота в ракетном двигателе РД-270М . Эта комбинация пороха могла бы привести к значительному увеличению производительности, но в конечном итоге от нее отказались из-за опасений токсичности.
• Тетраметилэтилендиамин + IRFNA – значительно менее токсичная альтернатива гидразину и его производным.

Сопутствующая технология

Пирофорные вещества, которые самовоспламеняются в присутствии воздуха, также иногда используются в качестве ракетного топлива или для воспламенения других видов топлива. Например, смесь триэтилборана и триэтилалюминия (которые и по отдельности, и тем более вместе являются пирофорными) использовалась для запуска двигателей в SR-71 Blackbird и в двигателях F-1 на ракете Saturn V , а также используется в Merlin. двигатели на ракетах SpaceX Falcon 9 .

Ссылки

Цитаты

Библиография

• Кларк, Джон (1972). Зажигание! Неофициальная история жидкого ракетного топлива (PDF) . Нью-Брансуик, Нью-Джерси: Издательство Университета Рутгерса. ISBN  0-8135-0725-1 . Архивировано (PDF) из оригинала 10 июля 2022 года.
• Современная техника проектирования жидкостных ракетных двигателей , Huzel & Huang, паб. АИАА, 1992. ISBN   1-56347-013-6 .
• История жидкостных ракетных двигателей , Г. Саттон, паб. АИАА 2005. ISBN   1-56347-649-5 .

Внешние ссылки

• «Гиперголическая реакция» . Периодическая таблица видео . Университет Ноттингема . 2009.