Гелевое ракетное топливо

В космических ракетоносителях последних поколений часто используются дополнительные твердотопливные ступени, они позволяют относительно не дорого повысить эффективность носителя, давая дополнительную тягу у земли, когда ракета имеет максимальную массу, из-за неизрасходованного топлива и испытывает максимальное сопротивление атмосферы. 

Твердотопливные ракеты отличаются простотой и высокой надежностью. К тому же дополнительные ступени позволяют регулировать массу выводимой на орбиту полезной нагрузки, легко и не дорого адаптируя мощность ракеты под нужную массу выводимого на околоземную орбиту груза. Если мощность носителя ниже необходимой для вывода на орбиту определенного груза, ракету запускают недозаправленной топливом, а это создает дополнительные финансовые накладки. Так как жидкостные ракеты дорогие и масса израсходованного топлива значительно не сказывается на стоимости выведения. Если регулировать эффективность носителя за счет изменения числа дополнительных твердотопливных ускорителей в разной комплектации, это позволяет полностью использовать потенциал жидкостной ракеты, меняя мощность только за счет недорогих твердотопливных ускорителей. 

Но у твердотопливных ракет есть свои недостатки. Так как твердое топливо горит подобно пороху, тягу твердотопливных двигателей невозможно регулировать по команде, их нельзя заглушить и снова перезапустить. Если старт ракеты отложен после запуска твердотопливных ускорителей приходится ждать пока не выгорит все твердое топливо, в то время как ракета может быть в аварийном состоянии. 

Твердотопливные ракеты хоть и обходятся дешевле жидкостных, но все таки традиционное твердое топливо стоит дороже керосина, жидкого кислорода или азотной кислоты с гидразином, которые сжигаются в жидкостных ракетах. Твердое топливо, как правило, состоит из смеси перхлората аммония, алюминиевой пудры и связующего вещества на основе синтетического полинитрильного каучука или полиуретана. Перхлорат аммония используется как окислитель, благодаря высокому содержанию кислорода в газах образующихся при его термическом разложении и отсутствию твердых продуктов. Перхлорат аммония, вещество промежуточное по свойствам между аммиачной селитрой и бертолетовой солью, он имеет более высокую удельную кислородоизбыточноть чем аммиачная селитра, и не образует при горении твердых веществ служащих балластной массой при горении топлива как перхлораты металлов. По своим характеристикам перхлорат аммония самый оптимальный окислитель для твердого топлива, но он сравнительно дорогой, так как его синтез идет в две стадии и экологически опасный. Экологическая опасность перхлората аммония возникает от того, что при его горении образуется гидрид хлора – соляная кислота, это вещество окисляется кислородом и озоном в верхних слоях атмосферы до одноатомного хлора, который является очень сильным окислителем и способствует разложению озона. После каждого запуска Шаттла, от работы его мощных твердотопливных двигателей над пустынной территорией южных штатов северной Америки и Мексики возникает небольшая озоновая дыра. Нескольких стартов Шаттла подряд достаточно чтобы создать озоновую дыру размером с континент. 

Кроме перхлората аммония токсичными компонентами твердого топлива являются окись алюминия и продукты неполного сгорания органических связующих компонентов, так как эта органика вступает во взаимодействие с соляной кислотой, и в результате этого взаимодействия образуются диоксины и органические производные хлора. Диоксины и органические хлориды очень токсичны, но их относительная доля в продуктах горения невелика. Окись алюминия несмотря на весомый процент в продуктах сгорания вещество малотоксичное, и серьезной экологической угрозы из себя не представляет. Поэтому основной экологической угрозой в твердом топливе служат именно производные хлора. 

Кроме того, связующие вещества в традиционных топливных составах, синтетический каучук или пластмасса тоже не дешевы и хотя их массовая доля обычно не превышает пятнадцати процентов, стоимость этих компонентов составляет ощутимый процент от стоимости топлива. 

Альтернативой твердотопливных ракет могут послужить жидкостные ракеты с вытеснительной подачей топлива. От традиционных ракет они отличаются тем, что в место дорогих турбинных насосов для подачи топлива в двигатели, в них используется вытеснение топлива из баков сжатым газом. По дешевизне и надежности жидкостные ракеты с вытеснительной подачей, могут служить альтернативой твердотопливным, так как жидкое топливо стоит дешевле твердого. Но здесь возникает противоречие из за разной плотности жидкого и твердого топлива. У твердого топлива плотность примерно в два раза выше жидкого. А так как для поддержания рабочего давления в баках как твердотопливных, так и жидкостных вытеснительных ракет нужны прочные и соответственно тяжелые топливные баки использование неплотного топлива в них не целесообразно, из за того, что чем ниже плотность топлива, тем выше относительная масса топливных баков. Топливные баки для жидкостных вытеснительных ракет можно делать из более совершенных материалов, угле пластика например, но углепластик слишком дорогой. Из за этого ракеты с вытяснительной подачей не нашли применения. 

Некоторые аналитики пророчат большое будущее гибридным ракетам, на жидком окислителе и твердом топливе, но и они тоже до сих пор не нашли применения. Плотность топлива в них не на много выше полностью жидкостных аналогов, гибридные ракеты имеют большую эффективность по удельному импульсу топлива, но это преимущество скрадывается высокой массой баков для топлива, из за его низкой плотности. 

Я могу предложить принципиально новый ракетный двигатель, по своему устройству промежуточный между гибридным и твердотопливным двигателем. От твердотопливного двигателя он имеет преимущество в высокой плотности топлива, от гибридного возможность свободно регулировать тягу и глушить или перезапускать двигатель без дополнительных приспособлений. 

От традиционного твердотопливного этот двигатель отличается тем, что в нем основное твердое топливо горит не само по себе как порох, а за счет пламени промежуточного – буферного топлива. Поэтому этот двигатель было бы логично назвать буферным ракетным двигателем. 

По конструкции буферный двигатель представляет собой твердотопливный двигатель с особым топливом, только выше бака с твердым топливом находится бак с жидким буферным топливом, а на верхнем торце бака с твердым топливом расположены камеры сгорания для буферного топлива. 

Для буферного двигателя самый подходящий состав основного твердого топлива – смесь аммиачной селитры – нитрата аммония, алюминиевой пудры и термопластического углеводородного связующего вещества. В качестве связующего термопластика можно использовать дешевый и безопасный парафин, нефтяную смолу, загущенное вязкими примесями нефтяное топливо, керосин или солярку. 

Особенность термопластического топлива в том, что оно плавится быстрее чем успевает сгореть, к тому же топлива на основе нитрата аммония отличаются крайне низкой скоростью горения. И сама аммиачная селитра вещество легкоплавкое, ее температура плавления не превышает температуру кипения парафина, поэтому под действием пламени буферного топлива основное топливо будет частично сгорать, но в основном плавиться и стекать к нижнему торцу, где жидкость будет распыляться при помощи специальных приспособлений для быстрого и полного сгорания. 

Твердое топливо на основе нитрата аммония и углеводородного связующего практически не горючее само по себе, оно способно гореть только при внешнем источнике тепла, так как энергии выделяемой при его горении недостаточно для его поддержания. При подводе внешнего тепла термопластик на нитрате аммония плавится, только слегка обгорая на поверхности. Эта особенность делает термопластик идеальным топливом для буферной схемы, так как горение возможно только при содействии пламени буферного топлива. А потому скорость горения и соответственно тягу двигателя можно легко регулировать, меняя подачу буферного топлива. При прекращении его подачи горение основного топлива прекратится, двигатель остановится, и при возобновлении пламени буферного топлива двигатель снова запустится. 

В качестве буферного топлива можно использовать топливную пару из не криогенных, то есть имеющих температуру кипения выше комнатной, стандартного топлива и окислителя. В качестве не криогенного – высококипящего топлива используются в основном, пара гидразин или его производные – безводная азотная кислота или ее смесь с оксидом азота. Это топливо хорошо хранится и самовоспламеняется при контакте топливного и окисляющего компонентов, но гидразин и его производные токсичны. 

В качестве буферного топлива может быть использован и жидкий, чистый кислород, органические вещества отлично воспламеняются и горят в чистом кислороде, поэтому связующее основного топлива должно устойчиво гореть в атмосфере кислорода поджигая и расплавляя основную массу топлива. У жидкого кислорода есть одно преимущество в качестве буферного топлива, для поддержания горения основного топлива достаточно одного жидкого буферного компонента. То есть кислород в данном случае является «Монотопливом». Монотопливо удобно тем, что оно предельно упрощает конструкцию двигателя, тем самым, способствуя снижению его стоимости и повышению надежности. Но у криогенного кислорода есть и свои недостатки, он быстро испаряется при комнатной температуре, поэтому для его получения и хранения на стартовом столе и нужно специальное оборудование. Для хранения в баке ракеты нужна теплоизоляция и другие специальные меры. Для воспламенения основного топлива в атмосфере кислорода нужна система зажигания, с помощью пиротехнических устройств или впрыска струй горящего или самовоспламеняющегося топлива, это добавляет сложности. Недостатки жидкого кислорода могут быть терпимы на стартовых столах, которые рассчитаны на старт ракет использующих жидкий – криогенный кислород в качестве компонента топлива, так как они имеют необходимое для хранения криогенного кислорода оборудование. Криогенный кислород имеет два преимущества, он имеет высокую удельную эффективность как топливо, но это преимущество для буферного топлива не значительно, так как не велика его массовая доля, но главное кислород дешев и его низкая цена на стартовых площадках оборудованных для хранения криогенного кислорода может оправдать его недостатки. 

В качестве буферного монотоплива можно использовать концентрированную перекись. По своим свойствам перекись наилучшее буферное топливо. Во первых, перекись является монотопливом, она способна разлагаться под действие катализатора давая горячий газ состоящий на треть объема из кислорода и на две трети из паров воды. Температура парогаза перекиси, от четырехсот до девятисот градусов, в зависимости от концентрации перекиси, при такой температуре гарантированно самовоспламеняется любая органика, и это снимает проблему зажигания. Во вторых, перекись при разложении выделяет кислород, то есть является монотопливом – окислителем. Кислородоизбыточность перекиси увеличивает ее эффективность в качестве буферного топлива, и добавляет дополнительный окислитель в общую массу топлива, а это немаловажно, так как нитрат аммония в основном топливе имеет низкую кислородоизбыточность. Кроме того, перекись хорошо хранится при нормальной температуре, она практически нетоксична и не образует при горении токсичных продуктов. Концентрированная перекись дорогая, но масса буферного топлива не велика по сравнению с основным, а дешевое основное топливо на легких нитратах и углеводородном связующем может удерживать общую стоимость топлива на невысоком уровне. 

Распылять разжиженное твердое топливо в зависимости от формы заряда твердого топлива можно двумя способами. Если топливные элементы цилиндрические одноканальные, макоронообразные, то лучшим способом распыления жидкого разжиженного топлива будет пропускание газожидкостной топливной смеси через плохообтекаемую решетку, на которой закреплены нижние концы топливных элементов. Если заряд топлива прикреплен к стенкам топливных баков и разжиженное топливо стекает по стенкам заряда, жидкий и газообразный компоненты топливной смеси можно разделить для лучшего распыления. Газообразный компонент можно отводить по трубе расположенной в центре нижнего торца бака, а жидкий отводить в узкие щели, или круглые отверстия, расположенные на периферии баков. После истекания из отверстий струи жидкого топлива можно распылять потоком газов, перераспределенным таким образом, что струи газа и жидкости пересекаются перпендикулярно. 

Твердое топливо, состоящее из аммиачной селитры и алюминиевой пудры на углеводородном связующем не обладает основными недостатками традиционного твердого топлива. Оно дешево, аммиачная селитра одно из самых дешевых химических веществ, ее цена не превышает доллара за килограмм, а основную массу твердого ракетного топлива составляет именно окисляющий компонент. Это топливо экологически безопасно, кроме умеренно токсичной окиси алюминия оно почти не образует ядовитых продуктов сгорания. Но токсичность окиси алюминия не велика, а кроме нее токсичными продуктами горения могут быть только продукты неполного сгорания органического связующего, угарный газ, и продукт его взаимодействия с водой – формальдегид. Но эти вещества образуются в намного больших количествах при каждом лесном пожаре, их токсичность не высока по сравнению с производными хлора, и от ракетных пусков их количество в атмосфере будет ничтожно. 

При изготовлении зарядов традиционного твердого топлива требуется тщательный контроль, так как если в массе топлива образуются полости, это может привести к неконтролируемому повышению поверхности горения, и вслед за этим скачки давления в баках вплоть до взрыва, и быстрый прогар топливной массы. Так как топливные заряды в твердотопливных ракетах обычно прикрепляются к стенкам баков, неконтролируемый прогар слоя топливной массы может привести к неконтролируемому нагреву стенки бака. Внутренние стенки баков защищены слоем теплоизолятора, но все равно их нагрев явление крайне нежелательное. Из за прогара теплоизоляции на стыке разъемного соединения бака твердотопливного ускорения в свое время разбился Челленджер. 

Для термопластического топлива буферного двигателя проблема неконтролируемого горения практически отсутствует. Так как топливо не воспламеняется само по себе, полости в топливной массе не вызовут скачков давления в баке. Хотя крупные полости и могут вызвать неконтролируемый разгар топливных зарядов на стенках баков. Для буферного двигателя это не так опасно как для традиционного твердотопливного. В баках буферного двигателя намного меньше температура, и внутренние поверхности защищает от перегрева масса стекающего по ним жидкого топлива. 

Стекающее по стенкам жидкое топливо так же можно использовать и для тепловой защиты стенок камеры сгорания, перераспределив поток топлива, так что небольшая его часть стекала по стенкам камеры сгорания не распыляясь. 

Крупные трещины или раковины в массе твердого топлива буферного двигателя конечно нежелательны, но небольшие дефекты топливных зарядов не представляют для него никакой угрозы. Благодаря нечувствительности буферного двигателя к мелким дефектам при формовке топливной массы, можно предельно сократить количество связующего, а это позволит повысить эффективность топлива, так как увеличивает его удельную калорийность. 

Углеводородное связующее не обладает высокой прочностью, парафин твердое вещество, но он хрупкий, не устойчивый к действию вибрации, особенно если сильно разбавлен порошком. Желеобразные связующие на основе загущенного примесями коллоидных растворов полимеров жидкого углеводородного топлива, солярки или керосина, наподобие гелевых свечей, более устойчиво к вибрации, но его механическая прочность еще меньше. Из за непрочности углеводородного связующего твердое топливо для буферного двигателя лучше усилить внутренней арматурой. В качестве арматуры могут подойти пластины, решетки или сети из дешевого плавкого пластика, полиэтилена или полипропилена, например. 

Жидкое буферное топливо можно заменить твердым, это может сделать буферный двигатель максимально простым, дешевым и надежным, но при этом будет утеряно преимущество в управляемости. 

Буферный двигатель может стать реальной альтернативой традиционным твердотопливным ракетам, так как по конструкции он не на много сложнее, а значит не на много уступает в надежности. Его стоимость сравнима с твердотопливными ракетами, так как для него нужно более дешевое топливо, а конструктивная сложность минимальна, буферный двигатель практически безопасен для экологии, и при этом не имеет недостатков типичных для твердотопливного двигателя, неконтролируемая тяга и невозможность глушения и повторного запуска. Что может быть важно для аварийной остановки двигателя, и для многократных запусков космических двигателей, предназначенных для выведения на высокие орбиты или для повышения орбиты МКС. 

Николай Агапов.