4.4. Жидкие ракетные топлива

1. Классификация жидких ракетных топлив. Жидкое ракетное топливо (ЖРТ) — вещество или совокупность веществ в жидком состоянии, способных к химическим экзотермическим реакциям с образованием высокотемпературных продуктов. По своему назначению ЖРТ подразделяют на основные, пусковые, и вспомогательные. Основными являются топлива, создающие всю или основную долю тяги ДУ. Пусковое топливо используют в начальный период запуска двигателя для воспламенения несамовоспламеняющихся при контакте основных компонентов. На продуктах сгорания или разложения вспомогательного топлива могут работать турбины, рулевые сопла и агрегаты, не создающие непосредственно основной доли тяги двигателя.

По числу основных компонентов различают одно-, двух- и трехкомпонентные топлива. Современные ЖРД наиболее широко используют двухкомпонентные жидкие топлива. Такое топливо сравнительно безопасно в эксплуатации, допускает широкий выбор компонентов. К числу трехкомпонентных топлив можно отнести топлива, состоящие из окислители и горючего, обеспечивающих высокий уровень выделения тепла, и третьего компонента, продукты нагрева или разложения которого обладают малой молекулярной массой и, следовательно, большой работоспособностью и удельным импульсом. В качестве третьего компонента может быть водород, метан и другие легкие вещества. Исследуемые трехкомпонентные топлива в большинстве своем - топлива металлосодержащие, представляющие собой окислитель, горючее и твердые частицы металла.

Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родственным окислителям, поскольку именно окислитель, содержание которого в различных топливах составляет 75—95% (по массе), определяет особенности топливной композиции. Различают, в частности, кислородные, азотно-кислотные, азотно-тетроксидные, перекись-водородные, хлорные и фторные топлива.

В зависимости от реакционной способности окислителя и горючего при их непосредственном контакте топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовоспламеняющиеся топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, достаточного для воспламенения топливной смеси. Воспламенение несамовоспламеняющихся в обычных условиях топливных пар можно обеспечить каталитическим воздействием, введением в один из компонентов активизирующих присадок или подводом тепла от внешнего источника.

По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие компоненты топлива в условиях эксплуатации имеют температуру кипения выше 298К и хранятся в обычных условиях без потерь на испарение. Низкокипящие компоненты топлива при стандартном давлении имеют температуру кипения ниже 298К и находятся в газообразном состоянии. Некоторые компоненты (например, аммиак NH₃) можно эксплуатировать как высококипящее при поддержании определенного избыточного давления в баке. Среди низкокипящих компонентов выделяют группу так называемых криогенных компонентов топлив, имеющих температуру кипения ниже 120 К. Криогенный компонент нельзя хранить в жидком состоянии без принятия специальных мер его тепловой изоляции. К криогенным компонентам относятся: кислород, водород, фтор, метан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличение плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном состоянии, т.е. в виде подвижной грубодисперсной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные, и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив хранятся в баках ракет при давлениях насыщенного пара без существенных потерь и обладают стабильностью физико-химических свойств в течение заданного времени.

2. Современные применяемые топлива. В ДУ первых ступеней ракет, служащих для запуска космических объектов, нашло применение эффективное, низкой стоимости топливо: жидкий кислород + керосин. Углеводородное горючее «керосин» получают из нефти, которое не содержит веществ, склонных к образованию смолистых отложений при высоких температурах.

Для вторых и выше ступеней ракет используется наиболее эффективное из топлив — криогенная композиция жидкий кислород + жидкий водород.

В ракетах военного назначения и космических аппаратах, когда ДУ должна длительное время храниться в заправленном состоянии, применяют высококипящие стабильные топлива. Среди них широко используются топлива с азотным тетроксидом и горючими гидразинового ряда (гидразин, монометилгидразин, НДМГ). Горючие гидразинового ряда разлагаются при термическом воздействии или в присутствии катализатора с выделением тепла и могут выступать в качестве унитарного топлива. Например, гидразин при разложении не выделяет сажу и используется в двигателях малых тяг систем КА. В табл. 4.2 даны примеры некоторых ЖРД, использующих различные топлива.

Таблица 4.2

Окислитель	Горючее	Марка двигателя	Страна	Назначение
Фтор	Аммиак	РД-301	СССР	Верхние ступени РН
	Этиловый спирт	-	Германия	«Фау-2», РН А-4
		РД-100	СССР	РН Р-1
	Керосин	РД-107	СССР	РНР-7, 1-я ступень РН «Восток»
		РД-108	СССР	РН Р-7, 2-я ступень РН «Восток»
		F-1	США	1-я ступень РН «Сатурн-Y»
		Н-1	США	1-я ступень РН «Сатурн IВ»
		НК-33	СССР	РН Н-1
		РД-170	СССР	1-я ступень РН «Энергия»
Кислород	НДМГ	РД-119	СССР	2-я ступень РН «Космос»
	Аммиак		США	Экспериментальный самолет Х-15
	Водород	J-2	США	2-я и 3-я ступень ракеты «Сатурн-Y» ракет «Сатурн|-Y» и «Сатурн-IB»
		RL-10	США	2-я ступень Р|Н «Атлас-Центавр»
		НМ-60	Франция	РН «Ариан-5»
		SSME	США	Двигатель ОС «Спейс-Шаттл»
		LE-5	Япония	2-я ступень РН Н-1
		РД-0120	СССР	2-я ступень РН «Энергия»
Азотная кислота + окислы азота	Продукты пере-работки керосина Керосин	РД-214 РД-216 РД-219	СССР СССР СССР	1-я ступень РН «Космос» 1-я ступень РН «Космос» 2-я ступень РН «Космос»
АТ	НДМГ ММГ Аэрозин-50	РД-253 Викинг-5 Викинг-4 RS-18 LR87-AJ-5 LR91-AJ-5	СССР Франция Франция США США США	1-я ступень РН «Протон» 1-я ступень РН «Ариан» 2-я ступень РН «Ариан» ЖРД спутника Взлетный двигатель лунного модуля КК «Аполлон»
(85-87%) пере- кись водорода	Керосин	Гамма-304	Англия	РН «Блэк-Найт»

3. Осваиваемые и исследуемые топлива. Поиски, освоение и внедрение все более эффективных топлив - одно из основных направлений развития ракетного двигателестроения. Однако высокоэффективные компоненты топлива и их продукты сгорания часто оказываются весьма токсичными и представляют большую опасность для окружающей среды. Например, наиболее эффективным из из­вестных топлив считают топливо F₂+Н₂. Наряду с большим значением удельного импульса это топливо имеет и сравнительно высокую плотность из-за высокой плотности жидкого фтора и его большого содержания в топливе при оптимальном соотношении компонентов. Опыт создания в России в середине 70-х годов двигателя РД-301 на фторе с аммиаком свидетельствует о возможности успешного решения многих проблем при создании фторных двигателей, однако токсичность фтора и продуктов сгорания препятствует применению таких двигателей. В литературе приведены многочисленные примеры исследуемых эффективных по удельному импульсу и плотности окислителей и горючих, не нашедших применения на данном этапе развития ракетной техники, в том числе и из-за экологических ограничений.

В связи с этим на первый план выдвигается задача совершенствования свойств безопасных компонентов топлива, прежде всего горючих. Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода затрудняют его использование для продолжительных космических полетов. Переход на шугообразный водород позволяет повысить плотность и увеличить хладоемкость, а, следовательно, увеличить время хранения водорода.

Среди углеводородных горючих значительное внимание уделяется низкомолекулярным сжиженным углеводородам: метану СН₄, этану С₂Н₆, пропану С₄Н₈. Эти углеводороды доступны, имеют низкую стоимость, могут храниться в условиях космического пространства, обладают сравнительно высокими значениями удельного импульса при использовании их с жидким кислородом. Как уже отмечалось, жидкий метан является еще и хорошим охладителем. Он может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К. Повысить плотность метана возможно при использовании его в шугообразном состоянии. Разработана технология получения синтетических углеводородных горючих, представляющих собой индивидуальные углеводороды или смесь нескольких углеводородов с заданными эксплуатационными свойствами.

Ограниченность энергетических характеристик химических топлив, являющихся одновременно и носителями энергии и источником рабочего вещества, обусловлена сравнительно малыми значениями энергии химических связей и достаточно высокой молекулярной массой образующихся продуктов сгорания. Принципиальная возможность улучшения энергетических характеристик заключается, в частности, в применении трехкомпонентных топлив. Одним из компонентов должно быть высокоэнергетичное вещество (горючее), которое сгорая в окислителе, используется для нагрева легкого третьего вещества (разбавителя) лучше всего - водорода. Водород, обладая среди применяемых в ракетных топливах химических элементов минимальной молекулярной массой, может обеспечить наиболее высокий удельный импульс.

Среди высокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Ве, Li, Аl и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Указанные металлы имеют еще и довольно высокую плотность. Результаты расчетов показывают, что наибольшее повышение удельного импульса дает введение бериллия в топливо О₂+Н₂ и лития в топливо F₂+Н_2. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляется для достижения максимального удельного импульса.

Из гидридов металлов особый интерес представляют гидриды бериллия (ВеН₂) и алюминия (АlН₃). Плотность этих веществ довольно высока и равна 630 и 1480 кг/м³, соответственно. Теоретический удельный импульс в пустоте топлива Н₂О₂+ВеН₂ при соотношении компонентов k_m = 1,511, давлении в камере сгорания р_к = 15 МПа и степени расширения газов ε = р_к/р_а = 3000 составляет 4800 м/с, т.е. близок к удельному импульсу топлива F₂+Н₂. Это наиболее высокая энергетическая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами.

Высокая теоретическая эффективность металлосодержащих топлив стимулирует поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания, регенеративного ее охлаждения, особенно при использовании фторных топлив, поскольку фтор абсолютно непригоден для целей охлаждения. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры от воздействия конденсированных частиц.

Некоторые эксплуатационные характеристики компонентов ЖРД приведены в таблице 4.3, а стоимости основных компонентов ЖРД в сопоставимых ценах 1980 г. приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.3

Компонент топлива	Ткип, К	Тпл, К	ПДК, мг/л	ρ, кг/м3	Коррозионная активность	Взрывоопас-ность	Пожаро-опасность
F2	85,02	53,6	5·10-3	1503	Очень активен	Очень опасен	Опасен
O2	90,2	54,5	-	1135	-	Относительно безопасен	Опасен
N2O4	294	262	1,8·10-3	1450	Очень активен	Безопасен	Относительно безопасен
HNO3	359,2	232	5·10-3	1509	То же	Безопасен
H2O2(100%)	423	272,6	-	1450	Активна	Относительно безопасен	Относительно безопасен
ClF3	285	197	0,4·10-3	1866	Очень высока	Опасен	Опасен
H2	20	14	-	70,7	-	Опасен	Опасен
Керосин Т-1	425	213	0,3	800	-	Опасен	Опасен
(CH3)2N2H2 (НДМГ)	336	216	0,5·10-3	800	Слабая	Опасен	Опасен
N2H4 (гидразин)	385,6	275	1·10-3	1004	Слабая	Каталитически опасен	Опасен
CH3N2H3	360	220	0,35·10-3	871	Слабая	Опасен	Опасен
А-50	343	265	0,35·10-3	900	Слабая	Опасен	Опасен
В5Н9	331,6	226,6	0,01·10-3	680	Слабо активен	Очень опасен	Очень опасен
СН4	112	91	-	451		Относительно безопасен	Опасен

Примечание. ПДК – предельно допустимая концентрация вещества в воздухе.

Таблица 4.4

Компонент топлива	Стоимость, долл/т
Жидкий кислород	59
Углеводородное горючее RP-1	130
Жидкий водород	1100 )
Углеводородное горючее RJ-5	4400
Гидразин	4400
Монометилгидразин	13240

) 1 кг жидкого водорода, полученного электролизом воды, составляет 10 … 15 $ в современных ценах.

4. Особенности криогенных компонентов топлива. Криогенными (ГОСТ 17655—80) компонентами принято называть жидкости, критическая температура которых меньше максимальной температуры в условиях эксплуатации или хранения. При эксплуатации криогенных компонентов в не теплоизолированных системах возникает тепловой поток из окружающей среды к жидкости, который вызывает прогрев и испарение компонента. Введение же теплоизоляции существенно усложняет систему подачи ЖРТ.

Из всех возможных криогенных ЖРТ наибольшее распространение получили два компонента: жидкий кислород и жидкий водород. Их низкие температуры кипения приводят к большим сложностям в системах подачи при заправке, хранении и транспортировке компонентов.

В результате притока теплового потока из окружающей среды криогенный компонент прогревается и испаряется, увеличивая давление в полости над поверхностью раздела. Если паровая область имеет дренаж и компонент находится при температуре кипения, то все подведенное тепло идет на испарение.

Для снижения потерь компонента на испарение используются тепло-изолированные стационарные, транспортные и летные емкости. В качестве теплоизоляции могут использоваться пористые материалы (пенополиуретан, пенополистирол и др.), высоковакуумная, вакуумно-порошковая и экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ).

В стационарных, а также больших транспортных емкостях суточные потери для кислорода составляют примерно 0,3 %, для водорода — 0,5 %. При выборе оптимальной толщины теплоизоляции для стационарных хра­нилищ потери могут быть снижены приблизительно до 0,1 %.

Для использования жидкого кислорода в одноразовых ракетах-носителях обычно применяются не теплоизолированные баки. На стартовой позиции в процессе заправки и стоянки влага воздуха конденсируется на внешней поверхности бака, образуя "шубу" из рыхлого инея. Эта своеобразная теплоизоляция снижает приток тепла к жидкому кислороду во время стоянки. В полете "шуба" отделяется под напором набегающего воздуха и под воздействием аэродинамического теплового потока начинается интенсивное расслоение кислорода.

Жидкий водород в ЖРДУ хранится в теплоизолированных баках даже применительно к одноразовым ракетам-носителям, так как потери водорода на испарение в результате притока тепла из окружающей среды через стенки не теплоизолированного бака превосходят массу потребной тепло­изоляции.

Большие сложности вызывает заправка баков криогенными компонентами, так как захолаживание конструкции осуществляется вследствие фазового перехода части жидкости в паровую фазу. Так называемые потери компонента на захолаживание конструкции значительны и должны учиты­ваться при заправке. Для снижения этих потерь целесообразно использовать не только теплоту фазового перехода, но и хладоемкость холодного пара.

Системой подачи криогенных компонентов топлива должно быть предусмотрено захолаживание не только бака, но и подводящего трубопровода, ТНА, чтобы была обеспечена бескавитационная работа центробежных насосов в период запуска двигателя. Для этого необходимо предусмотреть соответствующие дренажи для выхода паров компонента, а также необходимый запас жидкости на захолаживание.

Важной особенностью системы подачи криогенной жидкости являются обязательные меры для компенсации температурных деформаций трубопроводов при захолаживании. При использовании алюминиевых сплавов с коэффициентом линейного расширения α=1,8·10^-5 К^-1 изменение длины трубопровода составляет для кислорода 3,7·10^-3 м/м и для водорода — 4,9·10^-3 м/м, что требует соответствующей компенсации. Следует также отметить необходимость удаления из системы конденсирующихся и взрывоопасных газов, которые в условиях низких температур могут замерзнуть и перекрыть или нарушить целостность фильтров, клапанов и агрегатов управления, а также создать взрывоопасные смеси с основным криогенным компонентом. Удаление конденсирующихся и взрывоопасных примесей из разветвленной системы подачи компонентов ЖРДУ осуществляется методом вакуумирования, а также продувки нейтральным газом.

Учитывая повышенную взрывоопасность кислорода при контакте с маслами органического происхождения, необходимо тщательно обезжиривать внутренние поверхности перед заполнением. Чаще всего обезжиривание осуществляется органическими растворителями типа четыреххлористого углерода (СCl₄) или специальными водными растворами поверхностно-активных веществ и электролитов. После обезжиривания продувкой удаляют пары растворителя.

При эксплуатации системы подачи водорода необходимо помимо общих требований к криогенным системам учесть взрыво- и пожароопасность смеси паров водорода с кислородом воздуха. Для этой цели предусматриваются дренажи, которые отводят водородные пары для сжигания.

Для снижения потерь жидкого водорода при подготовке ЛА к полету, а также для повышения его эффективности было предложено использовать водородную шугу - смесь кристаллов и жидкости. Применение водородной шуги не только снижает потери жидкого компонента при хранении, но и значительно повышает плотность горючего (на 8…10%). Наиболее простым способом получения шуги является периодическое вакуумирование парового пространства бака с жидким водородом. Шуга с 40 - 50 % -ной концентрацией твердой фазы хорошо подается по трубам обычным центробежным насосом.