Компоненти палива

Вибір компонентів палива є одним з найважливіших рішень при проектуванні РРД, що зумовлює багато деталей конструкції двигуна і наступні технічні рішення. Тому вибір палива для РРД виконується при всебічному розгляді призначення двигуна і ракети, на якій він встановлюється, умов їхнього функціонування, технології виробництва, зберігання, транспортування до місця старту тощо.

Одним з найважливіших показників, що характеризують поєднання компонентів є питомий імпульс, який має особливо важливе значення при проектуванні ракет-носіїв космічних апаратів, так як від нього в найсильнішому ступені залежить співвідношення маси палива та корисного вантажу, а отже, розміри і маса всієї ракети (див. Формула Ціолковського), які при недостатньо високому значенні питомої імпульсу можуть виявитися нереальними. Крім питомої імпульсу при виборі компонентів палива, вирішальну роль можуть зіграти і інші показники властивостей палива, у тому числі:Щільність, що впливає на розміри баків компонентів. Як випливає з табл. 1, водень є пальним, з найбільшим питомим імпульсом (при будь-якому окислювачі), однак він має вкрай низькою щільністю. Тому перші (найбільші) ступені ракет-носіїв зазвичай використовують інші (менш ефективні, але щільніші) види пального, наприклад, гас, що дозволяє зменшити розміри першої сходинки до прийнятних. Прикладами такої «тактики» служать ракета Сатурн V, перша ступінь якої використовує компоненти кисень/гас, а 2-а і 3-я щаблі — кисень/водень, і система Спейс Шаттл, в якій в якості першого ступеня використані твердопаливні прискорювачі.Температура кипіння, яка може накладати серйозні обмеження на умови експлуатації ракети. За цим показником компоненти рідкого палива підрозділяють на криогенні — охолоджені до вкрай низьких температур зріджені гази, і висококиплячі — рідини мають температуру кипіння вище 0 ° C.Кріогенні компоненти не можуть довго зберігатися, і транспортуватися на великі відстані, тому вони повинні виготовлятися (принаймні зріджується) на спеціальних енергоємних виробництвах, що знаходяться в безпосередній близькості від місця старту, що робить пускову установку абсолютно немобільний. Крім цього, кріогенні компоненти володіють і іншими фізичними властивостями, котрі висувають додаткові вимоги до їхнього використання. Наприклад, наявність навіть незначної кількості води чи водяної пари в ємностях із зрідженими газами призводить до утворення дуже твердих кристалів льоду, які при попаданні в паливну систему ракети впливають на її частини як абразивний матеріал і можуть стати причиною важкої аварії. За час багатогодинної підготовки ракети до старту на ній намерзає велика кількість інею, що перетворюється в лід, і падіння його шматків з великої висоти становить небезпеку для персоналу, зайнятого в підготовці, а також для самої ракети і стартового обладнання. Зріджені гази після заправки ними ракети починають випаровуватися, і до моменту старту їх потрібно безперервно поповнювати через спеціальну систему підживлення. Надлишок газу, що утворюється при випаровуванні компонентів, необхідно відводити таким чином, щоб окислювач не змішувався з пальним, утворюючи вибухову суміш. Висококиплячі компоненти набагато зручніші при транспортуванні, зберіганні та оперування з ними, тому в 50-ті роки ХХ ст вони витіснили криогенні компоненти з області військового ракетобудування. Надалі ця область все більшою мірою стала займатися твердим паливом. Але при створенні космічних носіїв криогенні палива поки зберігають своє становище за рахунок високої енергетичної ефективності, а для виконання маневрів в космічному просторі, коли паливо повинно зберігатися в баках місяцями, а то й роками, найприйнятнішими є висококиплячі компоненти. Ілюстрацією такого «поділу праці» можуть служити РРД, задіяні в проекті Аполлон: всі три ступені ракети-носія Сатурн V використовують криогенні компоненти, а двигуни місячного корабля, призначені для корекції траєкторії і для маневрів на навколомісячній орбіті, — висококиплячі несиметричний диметилгідразин і тетраоксид діазота. Хімічна агресивність. Цією якістю володіють всі окислювачі. Тому наявність у баках, призначених для окислювача, навіть незначних кількостей органічних речовин (наприклад, жирових плям, надісланих людськими пальцями) може викликати загоряння, внаслідок якого може спалахнути матеріал самого бака (алюміній, магній, титан і залізо дуже енергійно горять у середовищі ракетного окислювача). Із-за агресивності окислювачі, як правило, не використовуються в якості теплоносіїв в системах охолодження РРД, а в газогенераторах ТНА, для зниження теплового навантаження на турбіну робоче тіло перенасичується пальним, а не окислювачем. При низьких температурах рідкий кисень є, мабуть, самим безпечним окислювачем, тому, що альтернативні окислювачі, такі як тетраоксид діазоту або концентрована азотна кислота вступають в реакцію з металами, і хоча вони є висококиплячих окислювачами, які можуть довго зберігатися при нормальній температурі, час служби баків, у яких вони знаходяться, обмежена. Токсичність компонентів палива та продуктів їхнього горіння є серйозним обмежувачем їхнього використання. Наприклад, фтор, як випливає з табл. 1, як окислювач, ефективніший, ніж кисень, проте в парі з воднем він утворює фтороводень — речовина вкрай токсична та агресивна, і викид кількох сотень, тим більше, тисяч тонн такого продукту згорання в атмосферу при запуску великий ракети, сам по собі є найбільшою техногенною катастрофою, навіть при вдалому запуску. А в разі аварії, і розливу такої кількості цієї речовини, збиток не піддається обліку. Тому фтор не використовується в якості компоненту палива. Токсичними є і тетраоксид азоту, азотна кислота і несиметричний диметилгідразин. В даний час віддається перевага (з екологічної точки зору) окислювачем є кисень, а пальним — водень, за яким слід гас.