Химия в бою

Вообще говоря, ассортимент материалов для ракетного горючего очень широк. Теоретически применимы почти все элементы периодической системы и их многообразные соединения. Несколько ограниченнее выбор окислителя: кислород, фтор, кислородсодержащие и галоидные соединения, наиболее активные из которых соединения фтора. Одним словом, если число видов ракетного горючего, которые уже испытаны в разных странах, близко к сотне, то число видов окислителя не превышает полутора — двух десятков.

По своему физическому состоянию компоненты ракетных топлив могут быть в нормальных условиях твердыми, жидкими и газообразными. Правда, газообразные компоненты для сокращения занимаемого ими объема сжижаются. Так что их тоже относят к жидким. Твердые окислитель и горючее образуют твердое ракетное топливо, а жидкие — соответственно жидкое. Но существуют и такие варианты, когда окислитель — жидкий, а горючее — твердое, или наоборот. В этом случае ракетное топливо называют гибридным или смешанным. Чем же объяснить такое разнообразие ракетных топлив?

Дело в том, что свойства топлива в конечном счете определяют конструкцию двигателя, основные характеристики ракетной системы. Поэтому выбор наиболее эффективного топлива для ракет того или иного назначения, отмечают зарубежные специалисты, — дело сложное, связанное с проведением больших исследовательских и испытательных работ.

Прежде всего напомним, что об эффективности топлива судят по величине тяги, которую может развивать ракетный двигатель в секунду за счет сгорания в нем килограмма топлива в секунду при определенном давлении в камере сгорания. Эту величину называют удельной тягой или удельным импульсом, который исчисляют в кг сек/кг или просто в секундах. Чем больше скорость истечения, тем больше удельная тяга и, следовательно, тем совершеннее топливо.

В зависимости от сочетания топливных пар — горючего и окислителя — удельная тяга ракетных двигателей колеблется в широких пределах. Так, у современных жидких ракетных топлив удельная тяга может доходить, указывается в зарубежной печати, до 300–450, а с помощью добавки различных легких металлов — 500–600 секунд. У твердых топлив эта цифра значительно меньше— 150–300 секунд. Для сравнения отметим, что теоретически в ядерном ракетном двигателе удельная тяга составляет 2500 секунд, а в фотонном двигателе, создающем тягу в результате направленного истечения из него квантов света — фотонов, она достигает предельного значения — 30 миллионов секунд. Однако более высокая удельная тяга какого-либо вида топлива еще вовсе не означает его превосходства над остальными. Здесь приходится учитывать ряд других, часто весьма противоречивых требований.

Возьмем, например, твердое топливо. Оно удобно в обращении, но не обладает достаточным энергосодержанием и не «транспортабельно» в ракете: его нельзя перекачивать, перемещать из баков в камеру сгорания двигателя. Приходится топливо размещать непосредственно в камере сгорания. Это, безусловно, упрощает конструкцию и эксплуатацию ракеты, но ограничивает возможности увеличения запаса топлива. Ведь увеличение емкости камеры сгорания, работающей под давлением до 100 атмосфер и при температуре 2000–3000 градусов, связано с непомерным возрастанием ее веса. Кроме того, трудно обеспечить длительное и равномерное горение подобного топлива. Так, полная продолжительность работы — ресурс твердотопливного двигателя всего несколько десятков, иногда сотен секунд. В то же время ракетный двигатель на жидком топливе способен работать от нескольких минут до нескольких часов.

С другой стороны, ракетный двигатель на твердом топливе значительно проще и дешевле ракетного двигателя на жидком топливе. Анализ американских специалистов показал, что в среднем твердотопливные ракетные двигатели в расчете на килограмм веса обходятся в пять раз дешевле жидкостных, но при этом значительно уступают им в удельной тяге. Максимально достижимая скорость полета ракеты с твердотопливным двигателем равна 28 000 км/час, а с жидкостным — 50 000 км/час. Отсюда — поиск новых «форм» ракетного топлива, более удобных и в то же время более эффективных. В разных странах с каждым годом появляются новые виды гибридных, псевдоожиженных, желеобразных, тиксотропных и других ракетных топлив. Что они собой представляют?

Гибридное ракетное топливо, состоящее из двух компонентов— твердого и жидкого, дает возможность размещать один из них — жидкое горючее или окислитель в топливном баке ракеты, то есть увеличить возимый запас топлива, длительность работы двигателя. Псевдо-ожиженное, что означает почти жидкое, топливо состоит из твердых частичек, находящихся во взвешенном состоянии. В таком виде его можно подавать из бака в камеру сгорания подобно жидкому топливу. Желеобразным, как показывает само название, считают горючее, которое представляет собой студенистую массу, суспензию порошкообразного металла в жидком компоненте, например алюминия в гидразине. Оно обладает повышенным энергосодержанием. Те из топлив, что приобретают текучесть и становятся пригодными для жидкостных ракетных двигателей под действием давления, получили название тиксотропных. Так ищут за рубежом компромисса между достоинствами и недостатками твердых и жидких компонентов ракетных топлив.

Перечень проблем, стоящих перед специалистами в области ракетного топлива, этим, однако, не исчерпывается. Выяснилось, например, что многие вещества, включаемые в состав ракетных топлив, оказывают отравляющее воздействие на человека, главным образом на его дыхательные пути. При этом некоторые из них в десятки раз более токсичны, чем такие отравляющие вещества, как фосген, синильная кислота. Так, предельно допустимая концентрация фосгена равна 0,5 мг/м³, а для смеси некоторых видов окислителя, скажем, фтора и озона — 0,03 мг/м³, окиси фтора и пентаборана — 0,01 мг/м³. Понятно, что токсичность ракетного топлива серьезно осложняет процессы его хранения, заправки и транспортировки.

Чрезвычайно затрудняет, а порой и вовсе исключает применение некоторых веществ в качестве компонентов ракетных топлив их взрывоопасность. Установлено, например, что озон значительно эффективнее кислорода как окислитель — он обеспечивает большую удельную тягу, но из-за сильной взрывоопасности, особенно в газообразном состоянии, использовать его в топливе невозможно. Он находит некоторое применение лишь в виде раствора в жидком кислороде. Взрывоопасен и водород. Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.

Опасность случайного взрыва проистекает, как известно, от самопроизвольного воспламенения веществ при определенных условиях. Казалось бы, в связи с этим не может идти и речи о создании самовоспламеняющихся ракетных топлив. Однако именно это свойство привлекает внимание специалистов. Ведь оно позволяет осуществить воспламенение топлива в камере сгорания двигателя без использования посторонних электрических, пиротехнических или химических источников зажигания. Тем самым упрощается конструкция жидкостного ракетного двигателя, облегчается запуск, улучшается устойчивость сгорания. Правда, при этом одновременно возрастает взрывоопасность. Самовоспламеняемость компонентов ракетного топлива, указывается в иностранной печати, может быть повышена с помощью различных добавок. В одном из американских журналов сообщалось, что специалисты предлагают использовать добавку фторида озона для придания самовоспламеняемости жидкому кислороду с некоторыми горючими.

Огромна мощность, развиваемая ракетными двигателями. Это достигается тем, что топливо в них сгорает за очень короткое время. Температура в камере сгорания доходит до нескольких тысяч градусов. Поэтому хотя и на короткое время, но ее необходимо охлаждать, устраняя еще большее, уже недопустимое разогревание. Целесообразно для этого привлечь само топливо, решили специалисты. Отсюда возникло очередное требование к ракетному топливу: способность хорошо поглощать тепло и сохранять свои свойства при нагреве до 200–300 градусов.