Твердотопливная ракета

Космический шаттл был запущен с помощью двух твердотопливных ускорителей, известных как SRB.

или Твердотопливная ракета твердотопливная ракета — ракета с ЖРД , использующая твердое топливо ( топливо / окислитель ). Самые ранние ракеты были твердотопливными, работавшими на порохе ; Появление пороховых ракет в войне можно приписать древним китайцам, а в 13 веке монголы сыграли ключевую роль в содействии их внедрению на запад.

Все ракеты использовали ту или иную форму твердого или порошкообразного топлива до 20-го века, когда ракеты на жидком топливе предложили более эффективную и контролируемую альтернативу. Из-за своей простоты и надежности твердотопливные ракеты до сих пор используются в военном вооружении по всему миру, в моделях ракет , твердотопливных ракетных ускорителях и в более крупных целях.

Поскольку твердотопливные ракеты могут храниться в течение длительного периода времени без значительной деградации топлива и поскольку они почти всегда надежно запускаются, они часто используются в военных целях, например, в ракетах . Более низкие характеристики твердого топлива (по сравнению с жидкостями) не благоприятствуют его использованию в качестве основного двигателя в современных ракетах-носителях среднего и большого размера, обычно используемых для коммерческих спутников и крупных космических зондов. Однако твердые тела часто используются в качестве накладных ускорителей для увеличения грузоподъемности или в качестве дополнительных верхних ступеней со стабилизацией вращения, когда требуются более высокие, чем обычно, скорости. Твердотопливные ракеты используются в качестве легких ракет-носителей для полезной нагрузки на низкой околоземной орбите (НОО) массой до 2 тонн или спасательной полезной нагрузки до 500 кг (1100 фунтов).

Основные понятия

Упрощенная схема твердотопливной ракеты.

1. Смесь твердого топлива и окислителя (топливо) упаковывается в ракету с цилиндрическим отверстием посередине.
2. Воспламенитель воспламеняет поверхность пороха.
3. Цилиндрическое отверстие в топливе действует как камера сгорания .
4. Горячий выхлоп дросселируется в горловине, что, помимо прочего, определяет величину создаваемой тяги.
5. Выхлоп выходит из ракеты.

Простой твердотопливный ракетный двигатель состоит из корпуса, сопла , зерна ( порохового заряда ) и воспламенителя .

Твердая зерновая масса сгорает предсказуемым образом с образованием выхлопных газов, поток которых описывается потоком Тейлора-Кьюлика . Размеры сопла рассчитаны на поддержание расчетного давления в камере при создании тяги от выхлопных газов.

После воспламенения простой твердотопливный ракетный двигатель невозможно выключить, поскольку он содержит все ингредиенты, необходимые для сгорания, внутри камеры, в которой они сгорают. Более совершенные твердотопливные ракетные двигатели можно задушить или погасить. и повторно воспламеняется путем контроля геометрии сопла или использования вентиляционных отверстий. Кроме того, импульсные ракетные двигатели доступны , которые горят сегментами и которые можно зажечь по команде.

Современные конструкции могут также включать управляемое сопло для наведения, авионику , спасательное оборудование ( парашюты ), самоуничтожения механизмы , ВСУ , управляемые тактические двигатели, управляемые двигатели отклонения и ориентации , а также материалы для управления температурой.

История

Батарея реактивных установок «Катюши» ведет огонь по немецким войскам во время Сталинградской битвы , 6 октября 1942 года.

Испытание двигателя Aerojet 260, 25 сентября 1965 г.

Средневековая китайская династия Сун изобрела очень примитивную форму твердотопливной ракеты. Иллюстрации и описания в китайском военном трактате XIV века «Хуолунцзин» , написанном военным писателем и философом династии Мин Цзяо Юем, подтверждают, что китайцы в 1232 году использовали прото твердотопливные ракеты, тогда известные как « огненные стрелы », чтобы отбросить монголов во время монгольской осады Кайфэна. . Каждая стрела имела примитивную форму простой твердотопливной ракетной трубки, наполненной порохом. Один открытый конец позволял газу выходить и был прикреплен к длинной палке, которая служила системой наведения для управления направлением полета.

Первые ракеты с чугунными трубками были использованы в Королевстве Майсур под руководством Хайдера Али и Типу Султана в 1750-х годах. Эти ракеты поражали цели на расстоянии до полутора миль. Они были чрезвычайно эффективны во Второй англо-майсурской войне , закончившейся унизительным поражением Британской Ост-Индской компании . Слух об успехе ракет Майсура против британцев спровоцировал исследования в Англии, Франции, Ирландии и других странах. Когда в 1799 году британцы наконец захватили форт Шрирангапатана , сотни ракет были отправлены в Королевский арсенал недалеко от Лондона для проведения обратного проектирования. Это привело к первому промышленному производству военных ракет — ракете Конгрива в 1804 году.

В 1921 году советская научно-исследовательская лаборатория «Лаборатория газовой динамики» начала разработку твердотопливных ракет, в результате чего в 1928 году был осуществлен первый запуск на расстояние около 1300 метров. Эти ракеты были использованы в 1931 году для первого в мире успешного использования ракет для облегчения взлета самолетов . Исследования продолжались с 1933 года в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ) разработкой ракет РС-82 и РС-132 , включая проектирование нескольких модификаций класса «земля-воздух», «земля-земля», «воздух-земля». и бой воздух-воздух. Самое раннее известное применение советскими ВВС неуправляемых зенитных ракет авиационного базирования в бою с самолетами тяжелее воздуха имело место в августе 1939 года во время битвы на Халхин-Голе . В июне 1938 года РНИИ приступил к разработке реактивной системы залпового огня на базе ракеты РС-132. В августе 1939 года законченным изделием стала реактивная установка БМ-13/Катюша . К концу 1938 года состоялись первые значительные крупномасштабные испытания реактивных установок, было использовано 233 ракеты различных типов. Залп ракет мог полностью поразить цель на расстоянии 5500 метров (3,4 мили). К концу Второй мировой войны общее производство ракетных установок достигло около 10 000. для советских вооруженных сил произведено 12 млн ракет типа РС.

В Соединенных Штатах современные литые композитные твердотопливные ракетные двигатели были изобретены американским аэрокосмическим инженером Джеком Парсонсом в Калифорнийском технологическом институте в 1942 году, когда он заменил двухосновное топливо кровельным асфальтом и перхлоратом калия . Это сделало возможным создание ракетных двигателей медленного горения подходящего размера и с достаточным сроком хранения для использования в системах реактивного взлета. Чарльз Бартли , работавший в Лаборатории реактивного движения (Калифорнийский технологический институт), заменил отверждаемым синтетическим каучуком липкий асфальт , создав гибкое, но геометрически стабильное, несущее нагрузку пороховое зерно, которое надежно приклеилось к корпусу двигателя. Это сделало возможным создание твердотопливных ракетных двигателей гораздо большего размера. В 1954 году компания Atlantic Research Corporation значительно увеличила объем производства композитного топлива I _sp, увеличив количество порошкообразного алюминия в топливе до 20%.

Твердотопливные ракетные технологии получили наибольший импульс в технических инновациях, размерах и возможностях благодаря различным правительственным инициативам середины 20-го века по разработке все более эффективных военных ракет. После первоначальных проектов военной технологии баллистических ракет, разработанных с использованием жидкостных ракет в 1940-х и 1950-х годах, и Советский Союз , и Соединенные Штаты предприняли крупные инициативы по разработке твердотопливных местных , региональных и межконтинентальных баллистических ракет, включая твердотопливные. ракеты, которые можно было запускать с воздуха или с моря . Многие другие правительства также разработали эти военные технологии в течение следующих 50 лет.

К концу 1980-х годов и вплоть до 2020 года эти высокоэффективные твердотопливные ракетные технологии, разработанные правительством, применялись в орбитальных космических полетах во многих государственных программах , чаще всего в качестве ракет-носителей для добавления дополнительной тяги во время раннего подъема их преимущественно жидкостной ракеты. ракеты-носители . Некоторые конструкции также имели верхние ступени твердотопливных ракет. Примеры полетов в 2010-х годах включают европейский Ariane 5 , американские Atlas V и Space Shuttle , а также японский H-II .

Самыми большими твердотопливными ракетными двигателями, когда-либо построенными, были три монолитных твердотопливных двигателя Aerojet длиной 6,60 метра (260 дюймов), отлитые во Флориде. Двигатели 260 SL-1 и SL-2 имели диаметр 6,63 метра (261 дюйм), длину 24,59 метра (80 футов 8 дюймов), весили 842 900 килограммов (1 858 300 фунтов) и имели максимальную тягу 16 МН (3 500 000 фунтов силы). Продолжительность горения составила две минуты. Горловина сопла была достаточно большой, чтобы можно было пройти через нее стоя. Двигатель был способен служить полной заменой 8-моторной Saturn I, жидкостной первой ступени но никогда не использовался как таковой. Двигатель 260 SL-3 имел аналогичную длину и вес, но имел максимальную тягу 24 МН (5 400 000 фунтов силы) и меньшую продолжительность работы.

Дизайн

Проектирование начинается с необходимого общего импульса , который определяет массу топлива и окислителя . Затем подбираются геометрия и химический состав зерна, отвечающие требуемым характеристикам двигателя.

Следующие задачи выбираются или решаются одновременно. В результате получаются точные размеры зерен, сопел и геометрии корпуса:

• Зерно горит с предсказуемой скоростью, учитывая площадь его поверхности и давление в камере.
• Давление в камере определяется диаметром горла сопла и скоростью горения зерна.
• Допустимое давление в камере зависит от конструкции корпуса.
• Продолжительность времени горения определяется «толщиной полотна» зерна.

Зерно может быть прикреплено или не прикреплено к оболочке. Двигатели с корпусом сложнее проектировать, поскольку деформация корпуса и летающее зерно должны быть совместимыми.

Распространенные виды отказов твердотопливных ракетных двигателей включают разрушение зерна, нарушение соединения корпуса и образование воздушных карманов в зерне. Все это приводит к мгновенному увеличению площади горящей поверхности и соответствующему увеличению скорости и давления выхлопных газов, что может привести к разрыву корпуса.

Еще одним видом отказа является разрушение уплотнения корпуса . Пломбы необходимы в кожухах, которые необходимо открывать для загрузки зерна. Если уплотнение выйдет из строя, горячий газ разрушит путь выхода и приведет к выходу из строя. Это и стало причиной космического корабля « Челленджер» катастрофы .

Геометрия зерна

Твердое ракетное топливо сгорает с поверхности открытого топлива в камере сгорания. Таким образом, геометрия топлива внутри ракетного двигателя играет важную роль в общих характеристиках двигателя. По мере горения поверхности пороха форма меняется (предмет изучения внутренней баллистики), чаще всего изменяется площадь поверхности пороха, подвергающаяся воздействию дымовых газов. Поскольку объем пороха равен площади поперечного сечения $A_{s}$ умноженное на длину топлива, объемный расход топлива равен площади поперечного сечения, умноженной на линейную скорость горения. ${\dot {b}}$, а мгновенный массовый расход образующихся дымовых газов равен объемному расходу, умноженному на плотность топлива $\rho$:

${\dot {m}}=\rho \cdot A_{s}\cdot {\dot {b}}$

В зависимости от применения и желаемой кривой тяги часто используются несколько геометрических конфигураций :

• 
  Моделирование круглого отверстия
• 
  Моделирование C-паза
• 
  Моделирование лунной горелки
• 
  5-точечная симуляция финоцила

• Круглое отверстие: в конфигурации BATES создается прогрессивно-регрессивная кривая тяги.
• Концевая горелка: порох горит от одного осевого конца к другому, обеспечивая устойчивое длительное горение, но имеет термические трудности и смещение центра тяжести (ЦТ).
• C-паз: порох с большим клином, вырезанным сбоку (вдоль оси), обеспечивающим довольно длительную регрессивную тягу, но имеет термические трудности и асимметричные характеристики ЦТ.
• Лунная горелка: смещенное от центра круглое отверстие обеспечивает прогрессивно-регрессивное длительное горение, хотя имеет небольшую асимметричную центральную гравитацию.
• Финоцил: обычно звездообразная форма с 5 или 6 ветвями, которая может производить очень равномерную тягу, с немного более быстрым горением, чем с круглым отверстием, из-за увеличенной площади поверхности.

Корпус

Корпус может быть изготовлен из различных материалов. Картон используется для небольших моделей двигателей на черном порохе , тогда как алюминий используется для более крупных любительских двигателей на композитном топливе. Сталь использовалась для ускорителей космического корабля . с намоткой Графитовые эпоксидные корпуса используются для высокопроизводительных двигателей.

Корпус должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать давление и возникающие в результате напряжения ракетного двигателя, возможно, при повышенной температуре. При проектировании корпус рассматривается как сосуд под давлением .

Чтобы защитить корпус от агрессивных горячих газов, на внутренней стороне корпуса часто используется защитная термоизоляция, которая удаляется, чтобы продлить срок службы корпуса двигателя.

Сопло

Основная статья: Сопло ракетного двигателя

Сходящаяся -расширяющаяся конструкция ускоряет выхлопные газы из сопла, создавая тягу. Сопло должно быть изготовлено из материала, способного выдерживать тепло потока дымовых газов. Часто используют термостойкие материалы на основе углерода, например аморфный графит или армированный углерод-углерод .

Некоторые конструкции включают в себя управление направлением выхлопа. Это может быть достигнуто путем подвески сопла, как в космических кораблях SRB, путем использования реактивных лопаток в выхлопе, как в ракете Фау-2 , или путем управления вектором тяги впрыска жидкости (LITV).

LITV заключается во впрыске жидкости в поток выхлопных газов после горловины сопла. Затем жидкость испаряется и в большинстве случаев вступает в химическую реакцию, добавляя массовый поток к одной стороне потока выхлопных газов и тем самым обеспечивая управляющий момент. Например, твердые ускорители Titan III C впрыскивали тетраоксид азота для LITV; баки можно увидеть по бокам ракеты между центральной ступенью и ускорителями.

Ранняя первая ступень Minuteman использовала один двигатель с четырьмя карданными соплами для обеспечения управления по тангажу, рысканию и крену.

Производительность

Облако выхлопных газов окутывает стартовую площадку 39А в НАСА Космическом центре Кеннеди во время космического корабля " Индевор ". старта

Типичный, хорошо спроектированный с композитным топливом на основе перхлората аммония двигатель первой ступени (APCP) может иметь удельный импульс в вакууме ( I _sp ) до 285,6 секунды (2,801 км / с) (Titan IVB SRMU). Для сравнения: 339,3 с (3,327 км/с) для RP1/LOX (РД-180). и 452,3 с (4,436 км/с) для LH ₂ /LOX (Блок II RS-25 ) двухтопливные двигатели. Удельные импульсы разгонного блока несколько больше: целых 303,8 с (2,979 км/с) для APCP (Orbus 6E), 359 с (3,52 км/с) для RP1/LOX (РД-0124) и 465,5 с (4,565 км/с) для LH ₂ /LOX (RL10B-2).

Фракции топлива обычно несколько выше для (несегментированных) твердотопливных первых ступеней, чем для верхних ступеней. Первая ступень Castor 120 массой 53 000 кг (117 000 фунтов) имеет массовую долю топлива 92,23%, а верхняя ступень Castor 30 массой 14 000 кг (31 000 фунтов), разработанная для COTS Taurus II компании Orbital Science (готовая коммерческая версия) (Международная космическая станция). пополнение запасов) ракета-носитель имеет долю топлива 91,3% с корпусом двигателя из графитовой эпоксидной смолы на 2,9%, соплом, воспламенителем и приводом вектора тяги на 2,4%, а также на 3,4% немоторным оборудованием, включая такие элементы, как крепление полезной нагрузки, межступенчатый адаптер, кабельные каналы, контрольно-измерительные приборы, и т. д. Castor 120 и Castor 30 имеют диаметр 2,36 и 2,34 метра (93 и 92 дюйма) соответственно и служат ступенями коммерческих ракет-носителей Athena IC и IIC. Четырехступенчатая ракета Athena II, использующая Castor 120 в качестве первой и второй ступеней, стала первой коммерческой ракетой-носителем для запуска лунного зонда ( Lunar Prospector ) в 1998 году.

Твердотопливные ракеты могут обеспечить высокую тягу при относительно низкой стоимости. По этой причине твердые тела использовались в качестве начальных ступеней в ракетах (например, в космических челноках ), оставляя при этом двигатели с высоким удельным импульсом, особенно менее массивные двигатели, работающие на водородном топливе, для более высоких ступеней. Кроме того, твердотопливные ракеты имеют долгую историю в качестве последней ступени разгона спутников из-за их простоты, надежности, компактности и достаточно высокой массовой доли . Твердотопливный ракетный двигатель со стабилизацией вращения иногда добавляется, когда требуется дополнительная скорость, например, для полета к комете или внешней солнечной системе, поскольку для спиннера не требуется система наведения (на новой добавленной ступени). Обширное семейство космических двигателей Star компании Thiokol, в основном выполненных в титановом корпусе , широко используется, особенно на ракетах-носителях Delta и в качестве верхних ступеней со стабилизированным вращением для запуска спутников из грузового отсека космического корабля "Шаттл". Звездообразные двигатели имеют долю топлива до 94,6%, но дополнительные конструкции и оборудование снижают рабочую массовую долю на 2% и более.

Твердое ракетное топливо с более высокими характеристиками используется в крупных стратегических ракетах (в отличие от коммерческих ракет-носителей). HMX , C ₄ H ₈ N ₄ (NO ₂ ) ₄ , нитрамин с большей энергией, чем перхлорат аммония, использовался в топливе межконтинентальной баллистической ракеты Peacekeeper и является основным ингредиентом топлива NEPE-75, используемого в Trident II D-5. Баллистическая ракета флота. Именно из-за опасности взрыва более высокоэнергетическое военное твердое топливо, содержащее октоген, не используется в коммерческих ракетах-носителях, за исключением случаев, когда РН представляет собой адаптированную баллистическую ракету, уже содержащую октогенное топливо (Минотавр IV и V на базе снятых с вооружения МБР Peacekeeper). База воздушного вооружения ВМС в Чайна-Лейк, Калифорния, разработала новое соединение C ₆ H ₆ N ₆ (NO ₂ ) ₆ , называемое просто CL-20 (соединение Чайна-Лейк). ^# 20). По сравнению с октогеном, CL-20 имеет на 14% больше энергии на массу, на 20% больше энергии на объем и более высокое соотношение кислорода и топлива. Одной из причин разработки этого военного твердого топлива с очень высокой плотностью энергии является достижение возможности внеатмосферной ПРО на средней дистанции за счет ракет, достаточно маленьких, чтобы поместиться в существующие корабельные подпалубные вертикальные пусковые трубы и аэромобильные грузовики. пусковые трубы. Было продемонстрировано, что топливо CL-20 соответствует закону Конгресса о нечувствительных боеприпасах (IM) 2004 года и может, при снижении его стоимости, быть пригодным для использования в коммерческих ракетах-носителях с очень значительным увеличением производительности по сравнению с популярным в настоящее время твердым топливом APCP. пропелленты. Учитывая, что удельный импульс в 309 с уже продемонстрирован второй ступенью Peacekeeper с использованием топлива HMX, можно ожидать, что более высокая энергия топлива CL-20 увеличит удельный импульс примерно до 320 с в аналогичных приложениях верхней ступени межконтинентальной баллистической ракеты или ракеты-носителя без опасности взрыва. октогена.

Привлекательным свойством для военного использования является способность твердого ракетного топлива оставаться загруженным в ракете в течение длительного времени, а затем надежно запускаться в любой момент.

Семейства пороха

Черный порох (порох) порох

Черный порох (порох) состоит из древесного угля (горючего), нитрата калия (окислителя) и серы (горючего и катализатора). Это один из старейших пиротехнических составов, применяемых в ракетной технике. В наше время черный порох находит применение в моделях ракет малой мощности (таких как ракеты Estes и Quest), поскольку он дешев и довольно прост в производстве. Топливная крупа обычно представляет собой смесь спрессованного мелкого порошка (в твердую твердую порцию), скорость горения которой сильно зависит от точного состава и условий эксплуатации. дымного Удельный импульс пороха невелик, около 80 с (0,78 км/с). Зерно чувствительно к разрушению и, следовательно, к катастрофическому разрушению. Черный порох обычно не находит применения в двигателях с тягой более 40 ньютонов (9,0 фунтов силы).

Цинк-серное (ZS) пороховое топливо

Состоящее из порошкообразного металлического цинка и порошкообразной серы (окислителя) ЗС или «микрозерно» — еще одно прессованное топливо, не находящее практического применения за пределами специализированных кружков любительского ракетостроения из-за своих плохих характеристик (поскольку большая часть ЗС сгорает вне камеры сгорания) и быстрого линейные скорости горения порядка 2 м/с. ZS чаще всего используется в качестве нового топлива, поскольку ракета разгоняется очень быстро, оставляя за собой впечатляющий большой оранжевый огненный шар.

«Конфетное» топливо

В общем, ракетное топливо представляет собой окислитель (обычно нитрат калия) и сахарное топливо (обычно декстроза , сорбит или сахароза ), которым придают форму путем осторожного плавления компонентов топлива и заливки или упаковки аморфного коллоида в форму. Пороха Candy генерируют удельный импульс низкой или средней мощности примерно 130 с (1,3 км / с) и поэтому используются в основном ракетчиками-любителями и экспериментаторами.

Двухосновное (DB) порох

Топливо DB состоит из двух монотопливных компонентов топлива, один из которых обычно действует как высокоэнергетический (но нестабильный) монотоплив, а другой действует как стабилизирующий (и гелеобразующий) монотоплив с более низкой энергией. В типичных обстоятельствах нитроглицерин растворяют в нитроцеллюлозном геле и затвердевают с помощью добавок. Пороха DB применяются в тех случаях, когда требуется минимальный дым, но при этом _{средне-высокий I sp} требуется , примерно 235 с (2,30 км/с). Добавление металлического топлива (например, алюминия ) может увеличить производительность примерно до 250 с (2,5 км/с), хотя оксидов металлов зарождение в выхлопных газах может сделать дым непрозрачным.

Композитное топливо

Порошкообразный окислитель и порошкообразное металлическое топливо тщательно смешиваются и иммобилизуются эластичным связующим (которое также действует как топливо). Композитные топлива часто изготавливаются на основе нитрата аммония (ANCP) или перхлората аммония (APCP). Композиционное топливо на основе нитрата аммония часто использует магний и/или алюминий в качестве топлива и обеспечивает средние характеристики (I _sp около 210 с (2,1 км/с)), тогда как композитное топливо на основе перхлората аммония часто использует алюминиевое топливо и обеспечивает высокие характеристики: вакуум I _sp до 296 с (2,90 км/с) с цельным соплом или 304 с (2,98 км/с) с телескопическим соплом с большой площадью сечения. Алюминий используется в качестве топлива, поскольку он имеет разумную удельную плотность энергии, высокую объемную плотность энергии и его трудно случайно воспламенить. Композитные пороха отливаются и сохраняют свою форму после того, как каучуковое связующее, такое как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB), сшивается (затвердевает) с помощью вулканизирующей добавки. Благодаря своим высоким характеристикам, умеренной простоте изготовления и умеренной стоимости APCP находит широкое применение в космических, военных и любительских ракетах, тогда как более дешевый и менее эффективный ANCP находит применение в любительской ракетной технике и газогенераторах . Динитрамид аммония , NH ₄ N(NO ₂ ) ₂ , рассматривается как не содержащий хлора заменитель перхлората аммония в соотношении 1:1 в составных топливах. В отличие от нитрата аммония, АДН можно заменить АП без потери двигательных качеств.

Твердое топливо из алюминия-APCP на основе полиуретана использовалось в ракетах Polaris, запускаемых с подводных лодок . APCP, используемый в твердотопливных ракетных ускорителях космических кораблей, состоял из перхлората аммония (окислитель, 69,6% по массе), алюминия (топливо, 16%), оксида железа (катализатор, 0,4%), полимера полибутадиенакрилонитрила (ПБАН) (не- связующее из уретанового каучука, которое скрепляло смесь и действовало как вторичное топливо, 12,04%), и отвердитель эпоксидной смолы (1,96%). Он развивал удельный импульс 242 секунды (2,37 км/с) на уровне моря или 268 секунд (2,63 км/с) в вакууме. на 2005–2009 годы Программа Constellation должна была использовать аналогичный APCP, связанный с PBAN.

В 2009 году группе удалось создать топливо из воды и наноалюминия ( ALICE ).

Высокоэнергетическое композитное топливо (HEC)

Типичные пороха HEC начинаются со стандартной композитной пороховой смеси (например, APCP) и добавляют в смесь высокоэнергетическое взрывчатое вещество. Этот дополнительный компонент обычно имеет форму небольших кристаллов гексогена или октогена , оба из которых имеют более высокую энергию, чем перхлорат аммония. Несмотря на скромное увеличение удельного импульса, реализация ограничена из-за повышенной опасности фугасных присадок.

Композитное модифицированное двухосновное порох

Композитные модифицированные двухосновные пороха начинаются с двухосновного нитроцеллюлозно-нитроглицеринового пороха в качестве связующего и добавляют твердые вещества (обычно перхлорат аммония (AP) и порошкообразный алюминий ), обычно используемые в составных порохах. Перхлорат аммония восполняет дефицит кислорода, возникающий при использовании нитроцеллюлозы , улучшая общий удельный импульс. Алюминий улучшает удельный импульс, а также стабильность горения. Высокопроизводительные топлива, такие как NEPE-75, используемые в качестве топлива для Trident II D-5, БРПЛ, заменяют большую часть AP с полиэтиленгликолем , связанным октогеном , что еще больше увеличивает удельный импульс. Смешение составных и двухосновных компонентов пороха стало настолько распространенным, что размыло функциональное определение двухосновных порохов.

Минимально сигнатурное ( бездымное ) топливо

Одним из наиболее активных направлений исследований твердого топлива является разработка высокоэнергетического топлива с минимальной сигнатурой на основе нитроамина C ₆ H ₆ N ₆ (NO ₂ ) ₆ CL-20 ( соединение № 20 Чайна-Лейк ), имеющего 14% более высокая энергия на массу и на 20% более высокая плотность энергии, чем у октогена. Новое топливо успешно разработано и испытано в тактических ракетных двигателях. Пропеллент не загрязняет окружающую среду: не содержит кислот, твердых частиц и свинца. Он также бездымный и имеет лишь слабый ромбовидный узор, который виден в прозрачном выхлопе. Без яркого пламени и густого дымного следа, образующегося при горении алюминизированного пороха, эти бездымные пороха практически исключают риск выдачи позиций, с которых запускаются ракеты. Новое пороховое топливо CL-20 нечувствительно к ударам (класс опасности 1.3) в отличие от нынешних бездымных порохов HMX, которые обладают высокой взрывоопасностью (класс опасности 1.1). CL-20 считается крупным прорывом в технологии твердого ракетного топлива, но пока не получил широкого распространения, поскольку стоимость остается высокой.

Электрическое твердое топливо

Электрическое твердое топливо (ЭТП) представляет собой семейство высокоэффективных пластизолевых твердых топлив, которые можно воспламенять и дросселировать с помощью электрического тока. В отличие от обычного топлива для ракетных двигателей, которое сложно контролировать и тушить, ЭЦН можно надежно воспламенять через определенные промежутки времени и по продолжительности. Он не требует движущихся частей, а топливо нечувствительно к огню или электрическим искрам.

Хобби и любительское ракетостроение

Твердотопливные ракетные двигатели можно купить для использования в ракетостроении ; Обычно это небольшие цилиндры с черным пороховым топливом со встроенным соплом и, возможно, небольшим зарядом, который взрывается, когда топливо израсходовано после некоторой задержки. Этот заряд можно использовать для срабатывания камеры или раскрытия парашюта . Без этого заряда и задержки двигатель может воспламенить вторую ступень (только черный порох).

В ракетной технике средней и большой мощности широко используются двигатели APCP серийного производства. Они могут быть предназначены как для одноразового использования, так и для многоразового использования. Эти двигатели доступны в диапазонах импульсов от «A» (1,26–2,50 Нс) до «O» (20,48–40,96 кНс) от нескольких производителей. Они производятся стандартного диаметра и различной длины в зависимости от требуемого импульса. Стандартные диаметры двигателей составляют 13, 18, 24, 29, 38, 54, 75, 98 и 150 миллиметров. Доступны различные составы топлива для создания различных профилей тяги, а также специальных эффектов, таких как цветное пламя, следы дыма или большое количество искр (которые получаются путем добавления титановой в смесь губки).

Использовать

Звучащие ракеты

Почти все зондирующие ракеты используют твердотопливные двигатели.

• Астроби
• Черный Брант
• С-310 , С-520
• жаворонок (ракета)
• Терьер-Орион , Терьер-Малемут
• ВСБ-30

Ракеты

Благодаря надежности, простоте хранения и обращения твердотопливные ракеты используются на ракетах и ​​межконтинентальных баллистических ракетах.

• Ракеты «воздух-воздух»: AIM-9 Sidewinder
• Баллистические ракеты: Иерихон , Сейджиль.
• МБР: LGM-30 Minuteman , UGM-133 Trident II , LGM-118 Peacekeeper , РТ-2ПМ Тополь , DF-41 , БРПЛ M51.

Орбитальные ракеты

Твердотопливные ракеты подходят для вывода небольших полезных грузов на орбитальные скорости, особенно если используются три и более ступеней. Многие из них основаны на перепрофилированных межконтинентальных баллистических ракетах.

• Скаут
• Афина
• В
• Пегас
• Телец
• Минотавр
• Старт-1
• PSLV – чередование твердых и жидких ступеней
• Шавит
• Вега
• Длинное 11 марта
• Омега

В более крупных орбитальных ракетах на жидком топливе часто используются твердотопливные ракетные ускорители, чтобы получить достаточную начальную тягу для запуска полностью заправленной ракеты.

Основная статья: Твердотопливный ракетный ускоритель

• Дельта II
• Титан IV
• Космический шаттл
• Система космического запуска
• Ариан 5
• Атлас II
• Атлас V (опционально 1-5 бустеров)
• Дельта IV (опционально 2 или 4 бустера)
• H-IIA , H-IIB
• PSLV — дополнительные твердотопливные ускорители для подъема более тяжелых грузов.
• ГСЛВ Мк III

Твердое топливо также используется в некоторых верхних ступенях, в частности в Star 37 (иногда называемой верхней ступенью «Горелка») и Star 48 (иногда называемой « Модулем полезной нагрузки » или PAM), оба первоначально производились компанией Тиокол , а сегодня — Northrop Grumman . Они используются для вывода больших грузов на намеченные орбиты (например, спутников Глобальной системы позиционирования ) или меньших грузов на межпланетные или даже межзвездные траектории. Еще одной твердотопливной верхней ступенью, используемой на космических кораблях «Шаттл» и « Титан IV» , была Boeing производства инерционная верхняя ступень (IUS) .

• «Пионер-10» и «Пионер-11» были отправлены за пределы Солнечной системы верхними ступенями Star 37E ракеты «Атлас-Кентавр» .
• «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были отправлены из Солнечной системы верхними ступенями Star 37E ракеты Titan IIIE .
• Магеллан был отправлен на Венеру на IUS после того, как его отправили с космического корабля "Атлантис" на STS-30 .
• Галилей был отправлен на Юпитер на IUS после того, как его отправили с космического корабля "Атлантис" на STS-34 .
• «Улисс» был отправлен на Юпитер на IUS и Star 48 PAM после того, как его отправили с космического корабля « Дискавери» на STS-41 . Затем он был выведен на полярную орбиту вокруг Солнца после гравитационного воздействия вокруг Юпитера.
• «Новые горизонты» были отправлены за пределы Солнечной системы на Star 48 PAM ракеты V. Atlas

Некоторые ракеты, такие как « Антарес» (производства Northrop Grumman), имеют обязательные твердотопливные верхние ступени. Ракета Antares использует Northrop Grumman производства ракету Castor 30 в качестве верхней ступени .

Передовые исследования

• Экологически чувствительные топливные составы, такие как топливо ALICE.
• ПВРД на твердом топливе
• Конструкции с изменяемой тягой на основе изменяемой геометрии сопла
• Гибридные ракеты , использующие твердое топливо и дросселируемый жидкий или газообразный окислитель.

См. также

• Сравнение твердотопливных орбитальных стартовых систем
• Сравнение орбитальных стартовых систем
• Сравнение семейств орбитальных ракет-носителей
• Список проектов систем космического запуска
• Список ракет
• Список орбитальных систем запуска
• Список зондирующих ракет
• Список военных ракет
• Фейерверк
• Пиротехнический состав
• Межконтинентальная баллистическая ракета
• Двигатель Джетекс
• Твердотопливный ракетный ускоритель космического корабля "Шаттл"
• Кроуфордская горелка
• Нано-термит
• Скайрокет

Дальнейшее чтение

• А. Давенас, изд. (1992). Технология твердотопливного ракетного движения . Пергамон. ISBN  978-0080409993 .

Внешние ссылки

• Страница Роберта А. Бренига о ракетной силовой установке
• Композитное твердое топливо Astronautix
• Ариан 5 СРБ
• Ассоциация любительской ракетной техники большой мощности
• Накка-Ракетная техника (Конструкторские расчеты и рецептуры топлива)
• Сахарная ракета за 5 центов
• Практическая ракетная техника. Архивировано 18 июня 2006 г. в Wayback Machine.
• Практическая ракетная техника НАСА