Raketentreibstoff enthält Treibstoff und Oxidationsmittel und benötigt im Gegensatz zu Düsentreibstoff keine externe Komponente: Luft oder Wasser. Raketentreibstoffe werden nach ihrem Aggregatzustand in flüssige, feste und hybride Treibstoffe unterteilt. Flüssige Brennstoffe werden in kryogene (mit Siedepunkt der Komponenten unter null Grad Celsius) und hochsiedend (der Rest) unterteilt. Festbrennstoffe bestehen aus einer chemischen Verbindung, einer festen Lösung oder einem plastifizierten Gemisch von Komponenten. Hybridkraftstoffe bestehen aus Komponenten in unterschiedlichen Aggregatzuständen und befinden sich derzeit im Forschungsstadium.
Historisch gesehen war der erste Raketentreibstoff Schwarzpulver, eine Mischung aus Salpeter (Oxidationsmittel), Holzkohle (Treibstoff) und Schwefel (Bindemittel), die erstmals im 2. Jahrhundert n. Chr. in chinesischen Raketen verwendet wurde. Munition mit Feststoffraketentriebwerk (Feststoffraketentriebwerk) wurde im militärischen Bereich als Brand- und Signalmittel eingesetzt.
Nach der Erfindung des rauchfreien Pulvers Ende des 19. Jahrhunderts wurde auf dessen Basis ein einkomponentiger Ballistit-Brennstoff entwickelt, der aus einer festen Lösung von Nitrocellulose (Brennstoff) in Nitroglycerin (einem Oxidationsmittel) besteht. Ballistit-Brennstoff hat im Vergleich zu Schwarzpulver eine um ein Vielfaches höhere Energie, hat eine hohe mechanische Festigkeit, ist gut verformt, behält während der Lagerung lange chemische Stabilität und hat einen niedrigen Selbstkostenpreis. Diese Eigenschaften haben die weit verbreitete Verwendung von ballistischem Treibstoff in der massivsten Munition mit Festtreibstoffen - Raketen und Granaten - vorherbestimmt.
Die Entwicklung wissenschaftlicher Disziplinen wie Gasdynamik, Physik der Verbrennung und Chemie hochenergetischer Verbindungen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts ermöglichte es, die Zusammensetzung von Raketentreibstoffen durch den Einsatz flüssiger Komponenten zu erweitern. Die erste Kampfrakete mit einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk (LPRE) "V-2" verwendet ein kryogenes Oxidationsmittel - flüssigen Sauerstoff und einen hochsiedenden Kraftstoff - Ethylalkohol.
Nach dem Zweiten Weltkrieg erhielten Raketenwaffen aufgrund ihrer Fähigkeit, Atombomben in beliebiger Entfernung - von mehreren Kilometern (Raketensysteme) bis hin zu interkontinentalen Reichweiten (ballistische Raketen) - eine Priorität in der Entwicklung gegenüber anderen Waffentypen zu erreichen. Darüber hinaus haben Raketenwaffen die Artilleriewaffen in der Luftfahrt, Luftverteidigung, Bodentruppen und der Marine aufgrund der fehlenden Rückstoßkraft beim Abschuss von Munition mit Raketentriebwerken deutlich verdrängt.
Gleichzeitig mit ballistischem und flüssigem Raketentreibstoff haben sich Mehrkomponenten-Mischfesttreibstoffe aufgrund ihres weiten Betriebstemperaturbereichs, der Eliminierung der Gefahr des Auslaufens von Komponenten, der geringeren Kosten von Feststoffraketenantrieben aufgrund des Fehlens von Rohrleitungen, Ventile und Pumpen mit höherem Schub pro Gewichtseinheit.
Die Hauptmerkmale von Raketentreibstoffen
Neben dem Aggregatzustand seiner Komponenten zeichnen sich Raketentreibstoffe durch folgende Indikatoren aus:
- spezifischer Schubimpuls;
- thermische Stabilität;
- chemische Stabilität;
- biologische Toxizität;
- Dichte;
- Rauchigkeit.
Der spezifische Schubimpuls von Raketentreibstoffen hängt von Druck und Temperatur im Brennraum des Triebwerks sowie von der molekularen Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte ab. Außerdem hängt der spezifische Impuls vom Expansionsverhältnis der Triebwerksdüse ab, dies hängt jedoch eher mit der äußeren Umgebung der Raketentechnik (Luftatmosphäre oder Weltraum) zusammen.
Erhöhter Druck wird durch die Verwendung von Strukturmaterialien mit hoher Festigkeit (Stahllegierungen für Raketentriebwerke und Organokunststoffe für Festtreibstoffe) bereitgestellt. In diesem Aspekt sind Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke den Festtreibstoffen aufgrund der Kompaktheit ihrer Antriebseinheit im Vergleich zum Körper eines Festbrennstofftriebwerks, das eine große Brennkammer ist, voraus.
Die hohe Temperatur der Verbrennungsprodukte wird durch die Zugabe von Metallaluminium oder einer chemischen Verbindung - Aluminiumhydrid zum Festbrennstoff - erreicht. Flüssigkraftstoffe können solche Additive nur verwenden, wenn sie mit speziellen Additiven verdickt sind. Der Wärmeschutz von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken erfolgt durch die Kühlung mit Treibstoff, der Wärmeschutz von Festtreibstoffen - durch die feste Befestigung des Treibstoffblocks an den Triebwerkswänden und die Verwendung von Ausbrenneinsätzen aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbund im kritischen Bereich die Düse.
Die molekulare Zusammensetzung der Verbrennungs-/Zersetzungsprodukte des Brennstoffes beeinflusst die Durchflussmenge und deren Aggregatzustand am Düsenaustritt. Je geringer das Gewicht der Moleküle ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit: die am meisten bevorzugten Verbrennungsprodukte sind Wassermoleküle, gefolgt von Stickstoff, Kohlendioxid, Chloroxiden und anderen Halogenen; am wenigsten bevorzugt ist Aluminiumoxid, das in der Triebwerksdüse zu einem Feststoff kondensiert, wodurch das Volumen der sich ausdehnenden Gase verringert wird. Darüber hinaus erzwingt der Aluminiumoxidanteil aufgrund des abrasiven Verschleißes der effizientesten parabolischen Laval-Düsen den Einsatz von konischen Düsen.
Für militärische Raketentreibstoffe ist deren thermische Stabilität aufgrund des weiten Temperaturbereichs des raketentechnischen Betriebs von besonderer Bedeutung. Daher wurden kryogene Flüssigbrennstoffe (Sauerstoff + Kerosin und Sauerstoff + Wasserstoff) nur in der Anfangsphase der Entwicklung von Interkontinentalraketen (R-7 und Titan) sowie für Trägerraketen von wiederverwendbaren Raumfahrzeugen (Space Shuttle und Energia) für den Start von Satelliten und Weltraumwaffen in eine erdnahe Umlaufbahn.
Derzeit verwendet das Militär ausschließlich hochsiedende Flüssigbrennstoffe auf Basis von Stickstofftetroxid (AT, Oxidizer) und asymmetrischem Dimethylhydrazin (UDMH, Fuel). Die thermische Stabilität dieses Treibstoffpaares wird durch den Siedepunkt von AT (+ 21 ° C) bestimmt, was die Verwendung dieses Treibstoffs durch Raketen unter thermostatisierten Bedingungen in Interkontinentalraketen- und SLBM-Raketensilos einschränkt. Aufgrund der Aggressivität der Komponenten war / ist die Technologie ihrer Herstellung und des Betriebs von Raketenpanzern nur im Besitz eines Landes der Welt - der UdSSR / RF (Interkontinentalraketen "Voevoda" und "Sarmat", SLBMs "Sineva" und " Liner"). Ausnahmsweise wird AT + NDMG als Treibstoff für die Kh-22 Tempest-Marschflugkörper verwendet, aber aufgrund von Problemen mit dem Bodenbetrieb sollen die Kh-22 und ihre nächste Generation Kh-32 durch Jets ersetzt werden Marschflugkörper aus Zirkon, die Kerosin als Treibstoff verwenden.
Die thermische Stabilität fester Brennstoffe wird hauptsächlich durch die entsprechenden Eigenschaften des Lösungsmittels und des polymeren Bindemittels bestimmt. In der Zusammensetzung von Ballistit-Kraftstoffen ist das Lösungsmittel Nitroglycerin, das in fester Lösung mit Nitrocellulose einen Betriebstemperaturbereich von minus bis plus 50 ° C hat. In Mischkraftstoffen werden als polymeres Bindemittel verschiedene Synthesekautschuke mit gleichem Einsatztemperaturbereich eingesetzt. Die thermische Stabilität der Hauptbestandteile fester Brennstoffe (Ammoniumdinitramid + 97 °C, Aluminiumhydrid + 105 °C, Nitrocellulose + 160 °C, Ammoniumperchlorat und HMX + 200 °C) übertrifft jedoch die ähnliche Eigenschaft bekannter Bindemittel deutlich, und deshalb ist es relevant, nach ihren neuen Kompositionen zu suchen.
Das chemisch stabilste Kraftstoffpaar ist AT + UDMG, da hierfür eine einzigartige heimische Technologie der ampullierten Lagerung in Aluminiumtanks unter leichtem Stickstoffüberdruck für nahezu unbegrenzte Zeit entwickelt wurde. Alle festen Brennstoffe zersetzen sich im Laufe der Zeit aufgrund der spontanen Zersetzung von Polymeren und ihren technologischen Lösungsmitteln, woraufhin Oligomere mit anderen, stabileren Brennstoffkomponenten chemische Reaktionen eingehen. Daher müssen Festtreibstoffprüfer regelmäßig ausgetauscht werden.
Der biologisch toxische Bestandteil von Raketentreibstoffen ist UDMH, das das zentrale Nervensystem, die Schleimhäute der Augen und den menschlichen Verdauungstrakt angreift und Krebs provoziert. In diesem Zusammenhang wird mit UDMH in isolierenden Chemikalienschutzanzügen unter Verwendung von umgebungsluftunabhängigen Atemschutzgeräten gearbeitet.
Der Wert der Treibstoffdichte wirkt sich direkt auf die Masse der LPRE-Treibstofftanks und des Feststoffraketenkörpers aus: Je höher die Dichte, desto geringer ist die parasitäre Masse der Rakete. Die niedrigste Dichte des Brennstoffpaares Wasserstoff + Sauerstoff beträgt 0,34 g / cu. cm, ein Paar Kerosin + Sauerstoff hat eine Dichte von 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / Kubik. cm, Nitrocellulose + Nitroglycerin - 1,62 g / cu. cm, Aluminium / Aluminiumhydrid + Perchlorat / Ammoniumdinitramid - 1,7 g / cc, HMX + Ammoniumperchlorat - 1,9 g / cc. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, dass beim Festtreibstoffraketentriebwerk mit axialer Verbrennung die Dichte der Treibstoffladung aufgrund des sternförmigen Querschnitts des Verbrennungskanals etwa zweimal geringer ist als die Dichte des Treibstoffs, verwendet um einen konstanten Druck in der Brennkammer aufrechtzuerhalten, unabhängig vom Grad des Kraftstoffausbrandes. Gleiches gilt für ballistische Treibstoffe, die als Gürtel oder Sticks ausgebildet sind, um die Brenndauer und Beschleunigungsstrecke von Raketen und Raketen zu verkürzen. Im Gegensatz dazu stimmt die Dichte der Treibstoffladung in Feststoffraketentriebwerken der Endverbrennung auf HMX-Basis mit der dafür angegebenen maximalen Dichte überein.
Das letzte der Hauptmerkmale von Raketentreibstoffen ist der Rauch von Verbrennungsprodukten, der den Flug von Raketen und Raketen visuell entlarvt. Diese Eigenschaft ist aluminiumhaltigen festen Brennstoffen inhärent, deren Oxide während der Expansion in der Raketentriebwerksdüse zu einem festen Zustand kondensiert werden. Daher werden diese Kraftstoffe in Festtreibstoffen von ballistischen Raketen verwendet, deren aktiver Abschnitt der Flugbahn außerhalb der Sichtlinie des Feindes liegt. Flugzeugraketen werden mit HMX- und Ammoniumperchlorat-Treibstoff, Raketen, Granaten und Panzerabwehrraketen - mit ballistischem Treibstoff - betankt.
Energie von Raketentreibstoffen
Um die Energiekapazitäten verschiedener Arten von Raketentreibstoff zu vergleichen, müssen für sie vergleichbare Verbrennungsbedingungen in Form des Drucks in der Brennkammer und des Expansionsverhältnisses der Raketentriebwerksdüse eingestellt werden - zum Beispiel 150 Atmosphären und 300-fach Erweiterung. Für Brennstoffpaare/Triolen ist der spezifische Impuls dann:
Sauerstoff + Wasserstoff - 4,4 km / s;
Sauerstoff + Kerosin - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
Ammoniumdinitramid + Hydrogenhydrid + HMX - 3,2 km / s;
Ammoniumperchlorat + Aluminium + HMX - 3,1 km / s;
Ammoniumperchlorat + HMX - 2,9 km / s;
Nitrozellulose + Nitroglycerin - 2,5 km / s.
Festbrennstoff auf Basis von Ammoniumdinitramid ist eine heimische Entwicklung der späten 1980er Jahre, wurde als Brennstoff für die zweite und dritte Stufe von RT-23 UTTKh- und R-39-Raketen verwendet und wurde in den Energieeigenschaften noch nicht von den besten Proben übertroffen von ausländischem Treibstoff auf der Basis von Ammoniumperchlorat, der in den Minuteman-3- und Trident-2-Raketen verwendet wird. Ammoniumdinitramid ist ein Explosivstoff, der selbst bei Lichtstrahlung detoniert, daher wird seine Herstellung in Räumen durchgeführt, die von roten Lampen mit geringer Leistung beleuchtet werden. Technologische Schwierigkeiten erlaubten es nirgendwo auf der Welt, den Herstellungsprozess von Raketentreibstoff auf seiner Basis zu beherrschen, außer in der UdSSR. Eine andere Sache ist, dass die sowjetische Technologie routinemäßig nur im Chemiewerk Pawlograd in der Region Dnepropetrowsk der ukrainischen SSR eingesetzt wurde und in den 1990er Jahren nach der Umstellung des Werks auf Haushaltschemikalien verloren ging. Gemessen an den taktischen und technischen Eigenschaften vielversprechender Waffen des Typs RS-26 "Rubezh" wurde die Technologie jedoch in den 2010er Jahren in Russland wiederhergestellt.
Ein Beispiel für eine hochwirksame Zusammensetzung ist die Zusammensetzung von festem Raketentreibstoff aus dem russischen Patent Nr. 2241693, das sich im Besitz des nach ihm benannten föderalen staatlichen Einheitsunternehmens Perm befindet CM. Kirow“:
Oxidationsmittel - Ammoniumdinitramid, 58%;
Brennstoff - Aluminiumhydrid, 27%;
Weichmacher - Nitroisobutyltrinitratglycerin, 11, 25%;
Bindemittel - Polybutadiennitrilkautschuk, 2, 25%;
Härter - Schwefel, 1,49%;
Verbrennungsstabilisator - ultrafeines Aluminium, 0,01%;
Zusatzstoffe - Ruß, Lecithin usw.
Perspektiven für die Entwicklung von Raketentreibstoffen
Die Hauptrichtungen für die Entwicklung flüssiger Raketentreibstoffe sind (in der Reihenfolge der Priorität der Umsetzung):
- die Verwendung von unterkühltem Sauerstoff, um die Dichte des Oxidationsmittels zu erhöhen;
- Übergang zu einem Kraftstoffdampf Sauerstoff + Methan, dessen brennbarer Bestandteil eine um 15 % höhere Energie und eine 6-mal bessere Wärmekapazität als Kerosin hat, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Aluminiumtanks bei der Temperatur von flüssigem Methan gehärtet werden;
- Zugabe von Ozon zur Sauerstoffzusammensetzung in Höhe von 24%, um den Siedepunkt und die Energie des Oxidationsmittels zu erhöhen (ein großer Anteil des Ozons ist explosiv);
- die Verwendung von thixotropem (verdicktem) Kraftstoff, dessen Bestandteile Suspensionen von Pentaboran, Pentafluorid, Metallen oder deren Hydriden enthalten.
In der Trägerrakete Falcon 9 wird bereits unterkühlter Sauerstoff verwendet, in Russland und den USA werden mit Sauerstoff + Methan betriebene Raketentriebwerke entwickelt.
Die Hauptrichtung bei der Entwicklung fester Raketentreibstoffe ist der Übergang zu aktiven Bindemitteln, die Sauerstoff in ihren Molekülen enthalten, was die Oxidationsbilanz von Festtreibstoffen insgesamt verbessert. Eine moderne Haushaltsprobe eines solchen Bindemittels ist die Polymerzusammensetzung "Nika-M", die zyklische Gruppen von Dinitrildioxid und Butylendiolpolyetherurethan enthält, die vom Staatlichen Forschungsinstitut "Kristall" (Dzerzhinsk) entwickelt wurde.
Eine weitere vielversprechende Richtung ist die Erweiterung des Sortiments an gebrauchten Nitramin-Sprengstoffen, die im Vergleich zu HMX eine höhere Sauerstoffbilanz aufweisen (minus 22%). Dies sind zunächst Hexanitrohexaazaisowurtzitan (Cl-20, Sauerstoffbilanz minus 10%) und Octanitrocuban (Null-Sauerstoffbilanz), deren Aussichten davon abhängen, die Kosten ihrer Herstellung zu senken - derzeit ist Cl-20 um eine Größenordnung teurer als HMX ist Octonitrocuban eine Größenordnung teurer als Cl -zwanzig.
Neben der Verbesserung der bekannten Bauteiltypen wird auch in Richtung Polymerverbindungen geforscht, deren Moleküle ausschließlich aus Stickstoffatomen bestehen, die durch Einfachbindungen verbunden sind. Durch die Zersetzung einer Polymerverbindung unter Wärmeeinwirkung bildet Stickstoff einfache Moleküle aus zwei Atomen, die durch eine Dreifachbindung verbunden sind. Die dabei freigesetzte Energie ist doppelt so hoch wie bei Nitramin-Sprengstoffen. Erstmals wurden 2009 von russischen und deutschen Wissenschaftlern bei Versuchen an einer gemeinsamen Pilotanlage unter Einwirkung eines Drucks von 1 Million Atmosphären und einer Temperatur von 1725 °C Stickstoffverbindungen mit einem diamantähnlichen Kristallgitter gewonnen. Derzeit wird daran gearbeitet, den metastabilen Zustand von Stickstoffpolymeren bei Normaldruck und -temperatur zu erreichen.
Höhere Stickoxide sind vielversprechende sauerstoffhaltige chemische Verbindungen. Das bekannte Stickoxid V (ein flaches Molekül besteht aus zwei Stickstoffatomen und fünf Sauerstoffatomen) ist aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes (32°C) als Bestandteil von Festbrennstoffen ohne praktischen Wert. Untersuchungen in diese Richtung werden durch die Suche nach einer Methode zur Synthese von Stickoxid VI (Tetra-Stickstoff-Hexaoxid) durchgeführt, dessen Gerüstmolekül die Form eines Tetraeders hat, an dessen Eckpunkten vier Stickstoffatome gebunden sind sechs Sauerstoffatome an den Kanten des Tetraeders. Die vollständige Schließung der interatomaren Bindungen im Molekül von Stickstoffmonoxid VI ermöglicht eine Vorhersage einer erhöhten thermischen Stabilität, ähnlich der von Urotropin. Die Sauerstoffbilanz von Stickoxid VI (plus 63 %) ermöglicht es, das spezifische Gewicht von so hochenergetischen Komponenten wie Metallen, Metallhydriden, Nitraminen und Kohlenwasserstoffpolymeren im festen Raketentreibstoff deutlich zu erhöhen.
