El combustible para cohetes contiene combustible y oxidante y, a diferencia del combustible para aviones, no necesita un componente externo: aire o agua. Los combustibles para cohetes, según su estado de agregación, se dividen en líquidos, sólidos e híbridos. Los combustibles líquidos se dividen en criogénicos (con el punto de ebullición de los componentes por debajo de cero grados Celsius) y de alto punto de ebullición (el resto). Los combustibles sólidos consisten en un compuesto químico, una solución sólida o una mezcla plastificada de componentes. Los combustibles híbridos constan de componentes en diferentes estados agregados y actualmente se encuentran en la etapa de investigación.
Históricamente, el primer combustible para cohetes fue la pólvora negra, una mezcla de salitre (oxidante), carbón vegetal (combustible) y azufre (aglutinante), que se utilizó por primera vez en los cohetes chinos en el siglo II d. C. La munición con un motor de cohete de propulsor sólido (motor de cohete de propulsor sólido) se utilizó en asuntos militares como medio incendiario y de señalización.
Después de la invención del polvo sin humo a fines del siglo XIX, se desarrolló un combustible de balistita de un solo componente, que consiste en una solución sólida de nitrocelulosa (combustible) en nitroglicerina (un agente oxidante). El combustible de balistita tiene un múltiplo de mayor energía en comparación con la pólvora negra, tiene una alta resistencia mecánica, está bien formado, conserva la estabilidad química durante mucho tiempo durante el almacenamiento y tiene un precio de bajo costo. Estas cualidades predeterminaron el uso generalizado de combustible balístico en las municiones más masivas equipadas con propulsores sólidos: cohetes y granadas.
El desarrollo en la primera mitad del siglo XX de disciplinas científicas como la dinámica de los gases, la física de la combustión y la química de los compuestos de alta energía hizo posible expandir la composición de los combustibles para cohetes mediante el uso de componentes líquidos. El primer misil de combate con un motor cohete propulsor líquido (LPRE) "V-2" utilizó un oxidante criogénico - oxígeno líquido y un combustible de alto punto de ebullición - alcohol etílico.
Después de la Segunda Guerra Mundial, las armas de cohetes recibieron una prioridad en el desarrollo sobre otros tipos de armas debido a su capacidad para lanzar cargas nucleares a un objetivo a cualquier distancia, desde varios kilómetros (sistemas de cohetes) hasta alcance intercontinental (misiles balísticos). Además, las armas de cohetes han reemplazado significativamente a las armas de artillería en la aviación, defensa aérea, fuerzas terrestres y la marina debido a la falta de fuerza de retroceso al lanzar municiones con motores de cohetes.
Simultáneamente con combustible balístico y líquido para cohetes, los propulsores sólidos mixtos multicomponentes se desarrollaron como los más adecuados para uso militar debido a su amplio rango de temperatura de operación, eliminación del peligro de derrames de componentes, menor costo de los motores de cohetes de propulsor sólido debido a la ausencia de tuberías, válvulas y bombas con mayor empuje por unidad de peso.
Las principales características de los combustibles para cohetes
Además del estado de agregación de sus componentes, los combustibles para cohetes se caracterizan por los siguientes indicadores:
- impulso específico de empuje;
- estabilidad térmica;
- estabilidad química;
- toxicidad biológica;
- densidad;
- ahumado.
El impulso de empuje específico de los combustibles para cohetes depende de la presión y la temperatura en la cámara de combustión del motor, así como de la composición molecular de los productos de combustión. Además, el impulso específico depende de la relación de expansión de la boquilla del motor, pero esto está más relacionado con el entorno externo de la tecnología de cohetes (aire, atmósfera o espacio exterior).
Se proporciona una mayor presión mediante el uso de materiales estructurales de alta resistencia (aleaciones de acero para motores de cohetes y organoplásticos para propulsores sólidos). En este aspecto, los motores de cohetes de propulsión líquida están por delante de los propulsores sólidos debido a la compacidad de su unidad de propulsión en comparación con el cuerpo de un motor de combustible sólido, que es una gran cámara de combustión.
La alta temperatura de los productos de combustión se logra agregando aluminio metálico o un compuesto químico, hidruro de aluminio, al combustible sólido. Los combustibles líquidos pueden usar tales aditivos solo si están espesados con aditivos especiales. La protección térmica de los motores de cohetes de propulsante líquido se proporciona mediante el enfriamiento con combustible, la protección térmica de los propulsores sólidos, al sujetar firmemente el bloque de combustible a las paredes del motor y el uso de inserciones de quemado hechas de compuesto de carbono-carbono en la sección crítica de la boquilla.
La composición molecular de los productos de combustión / descomposición del combustible afecta el caudal y su estado de agregación a la salida de la boquilla. Cuanto menor es el peso de las moléculas, mayor es el caudal: los productos de combustión más preferidos son las moléculas de agua, seguidas de nitrógeno, dióxido de carbono, óxidos de cloro y otros halógenos; la menos preferida es la alúmina, que se condensa a un sólido en la boquilla del motor, reduciendo así el volumen de gases en expansión. Además, la fracción de óxido de aluminio obliga al uso de boquillas cónicas debido al desgaste abrasivo de las boquillas parabólicas Laval más eficientes.
Para los combustibles de cohetes militares, su estabilidad térmica es de particular importancia debido al amplio rango de temperatura de operación de la tecnología de cohetes. Por lo tanto, los combustibles líquidos criogénicos (oxígeno + queroseno y oxígeno + hidrógeno) se utilizaron solo en la etapa inicial del desarrollo de misiles balísticos intercontinentales (R-7 y Titán), así como para vehículos de lanzamiento de vehículos espaciales reutilizables (Transbordador espacial y Transbordador espacial). Energia) destinado a lanzar satélites y armas espaciales en órbita terrestre baja.
Actualmente, el ejército utiliza exclusivamente combustible líquido de alto punto de ebullición basado en tetróxido de nitrógeno (AT, oxidante) y dimetilhidrazina asimétrica (UDMH, combustible). La estabilidad térmica de este par de combustibles está determinada por el punto de ebullición de AT (+ 21 ° C), que limita el uso de este combustible por misiles en condiciones termostatizadas en silos de misiles ICBM y SLBM. Debido a la agresividad de los componentes, la tecnología de su producción y operación de tanques de misiles era / es propiedad de un solo país en el mundo: la URSS / RF (misiles balísticos intercontinentales "Voevoda" y "Sarmat", SLBM "Sineva" y " Transatlántico"). Como excepción, AT + NDMG se utiliza como combustible para los misiles de crucero de la aeronave Kh-22 Tempest, pero debido a problemas con la operación en tierra, se planea reemplazar el Kh-22 y su próxima generación Kh-32 por motores a reacción. Misiles de crucero Zircon que utilizan queroseno como combustible.
La estabilidad térmica de los combustibles sólidos está determinada principalmente por las propiedades correspondientes del disolvente y el polímero aglutinante. En la composición de los combustibles de balistita, el disolvente es la nitroglicerina, que en una solución sólida con nitrocelulosa tiene un rango de temperatura de funcionamiento de menos a más 50 ° C. En combustibles mixtos, se utilizan como aglutinante polimérico varios cauchos sintéticos con el mismo rango de temperatura de funcionamiento. Sin embargo, la estabilidad térmica de los principales componentes de los combustibles sólidos (dinitramida de amonio + 97 ° C, hidruro de aluminio + 105 ° C, nitrocelulosa + 160 ° C, perclorato de amonio y HMX + 200 ° C) supera significativamente la propiedad similar de los aglutinantes conocidos., y por ello es relevante la búsqueda de sus nuevas composiciones.
El par de combustibles químicamente más estable es el AT + UDMG, ya que se ha desarrollado para él una tecnología doméstica única de almacenamiento ampullado en tanques de aluminio bajo un ligero exceso de presión de nitrógeno durante un tiempo casi ilimitado. Todos los combustibles sólidos se degradan químicamente con el tiempo debido a la descomposición espontánea de polímeros y sus disolventes tecnológicos, tras lo cual los oligómeros entran en reacciones químicas con otros componentes combustibles más estables. Por lo tanto, los inspectores de propulsantes sólidos necesitan un reemplazo regular.
El componente biológicamente tóxico de los combustibles para cohetes es el UDMH, que afecta el sistema nervioso central, las membranas mucosas de los ojos y el tracto digestivo humano y provoca cáncer. En este sentido, el trabajo con UDMH se lleva a cabo en el aislamiento de trajes de protección química con el uso de aparatos de respiración autónomos.
El valor de la densidad del combustible afecta directamente la masa de los tanques de combustible LPRE y el cuerpo del cohete de propulsante sólido: cuanto mayor es la densidad, menor es la masa parásita del cohete. La densidad más baja del par combustible hidrógeno + oxígeno es 0,34 g / cu. cm, un par de queroseno + oxígeno tiene una densidad de 1.09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocelulosa + nitroglicerina - 1.62 g / cu. cm, aluminio / hidruro de aluminio + perclorato / dinitramida de amonio - 1,7 g / cc, HMX + perclorato de amonio - 1,9 g / cc. En este caso, debe tenerse en cuenta que en el motor cohete propulsor sólido de combustión axial, la densidad de la carga de combustible es aproximadamente dos veces menor que la densidad del combustible debido a la sección en forma de estrella del canal de combustión, utilizado para mantener una presión constante en la cámara de combustión, independientemente del grado de quemado del combustible. Lo mismo se aplica a los combustibles balísticos, que se forman como un conjunto de correas o palos para acortar el tiempo de combustión y la distancia de aceleración de los cohetes y cohetes. A diferencia de ellos, la densidad de la carga de combustible en motores cohete propulsores sólidos de combustión final basados en HMX coincide con la densidad máxima indicada para ello.
La última de las principales características de los combustibles para cohetes es el humo de los productos de combustión, desenmascarando visualmente el vuelo de cohetes y cohetes. Esta característica es inherente a los combustibles sólidos que contienen aluminio, cuyos óxidos se condensan a un estado sólido durante la expansión en la boquilla del motor cohete. Por lo tanto, estos combustibles se utilizan en propulsores sólidos de misiles balísticos, cuya sección activa de la trayectoria está fuera de la línea de visión del enemigo. Los misiles de las aeronaves se alimentan con HMX y combustible de perclorato de amonio, cohetes, granadas y misiles antitanque, con combustible balístico.
Energía de los combustibles para cohetes
Para comparar las capacidades energéticas de varios tipos de combustible para cohetes, es necesario establecer condiciones de combustión comparables para ellos en forma de presión en la cámara de combustión y la relación de expansión de la boquilla del motor del cohete, por ejemplo, 150 atmósferas y 300 veces expansión. Entonces, para pares / tripletes de combustible, el impulso específico será:
oxígeno + hidrógeno - 4,4 km / s;
oxígeno + queroseno - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramida de amonio + hidruro de hidrógeno + HMX - 3,2 km / s;
perclorato de amonio + aluminio + HMX - 3,1 km / s;
perclorato de amonio + HMX - 2,9 km / s;
nitrocelulosa + nitroglicerina - 2,5 km / s.
El combustible sólido a base de dinitramida de amonio es un desarrollo doméstico de finales de la década de 1980, se utilizó como combustible para la segunda y tercera etapas de los misiles RT-23 UTTKh y R-39 y aún no ha sido superado en características energéticas por las mejores muestras. de combustible extranjero a base de perclorato de amonio utilizado en los misiles Minuteman-3 y Trident-2. La dinitramida de amonio es un explosivo que detona incluso por radiación lumínica, por lo que su producción se realiza en salas iluminadas por lámparas rojas de baja potencia. Las dificultades tecnológicas no permitieron dominar el proceso de fabricación de combustible para cohetes sobre su base en ningún lugar del mundo, excepto en la URSS. Otra cosa es que la tecnología soviética se implementó de manera rutinaria solo en la planta química de Pavlograd, ubicada en la región de Dnepropetrovsk en la República Socialista Soviética de Ucrania, y se perdió en la década de 1990 después de que la planta se convirtió para producir productos químicos domésticos. Sin embargo, a juzgar por las características tácticas y técnicas de las armas prometedoras del tipo RS-26 "Rubezh", la tecnología se restauró en Rusia en la década de 2010.
Un ejemplo de una composición altamente efectiva es la composición de combustible sólido para cohetes de la patente rusa No. 2241693, propiedad de la Planta de Perm de Empresa Unitaria del Estado Federal que lleva el nombre de CM. Kirov :
agente oxidante - dinitramida de amonio, 58%;
combustible - hidruro de aluminio, 27%;
plastificante - nitroisobutiltrinitrateglicerina, 11, 25%;
aglutinante - caucho de nitrilo de polibutadieno, 2, 25%;
endurecedor - azufre, 1,49%;
estabilizador de combustión: aluminio ultrafino, 0.01%;
aditivos: negro de humo, lecitina, etc.
Perspectivas para el desarrollo de combustibles para cohetes
Las principales direcciones para el desarrollo de combustibles líquidos para cohetes son (en el orden de prioridad de implementación):
- el uso de oxígeno sobreenfriado para aumentar la densidad del oxidante;
- transición a vapor de combustible oxígeno + metano, cuyo componente combustible tiene un 15% más de energía y 6 veces mejor capacidad calorífica que el queroseno, teniendo en cuenta el hecho de que los tanques de aluminio se endurecen a la temperatura del metano líquido;
- añadir ozono a la composición del oxígeno al nivel del 24% para aumentar el punto de ebullición y la energía del oxidante (una gran proporción del ozono es explosivo);
- el uso de combustible tixotrópico (espesado), cuyos componentes contienen suspensiones de pentaborano, pentafluoruro, metales o sus hidruros.
El vehículo de lanzamiento Falcon 9 ya está utilizando oxígeno sobreenfriado; en Rusia y Estados Unidos se están desarrollando motores de cohetes alimentados con oxígeno + metano.
La dirección principal en el desarrollo de combustibles sólidos para cohetes es la transición a aglutinantes activos que contienen oxígeno en sus moléculas, lo que mejora el equilibrio de oxidación de los propulsores sólidos en su conjunto. Una muestra doméstica moderna de dicho aglutinante es la composición de polímero "Nika-M", que incluye grupos cíclicos de dióxido de dinitrilo y polieteruretano de butilendiol, desarrollado por el Instituto Estatal de Investigación "Kristall" (Dzerzhinsk).
Otra dirección prometedora es la expansión de la gama de explosivos de nitramina usados, que tienen un mayor balance de oxígeno en comparación con HMX (menos 22%). En primer lugar, se trata de hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, balance de oxígeno menos 10%) y octanitrocubane (balance de oxígeno cero), cuyas perspectivas dependen de reducir el costo de su producción; actualmente el Cl-20 es un orden de magnitud más caro. que el HMX, el octonitrocubane es un orden de magnitud más caro que el Cl-veinte.
Además de mejorar los tipos conocidos de componentes, también se está investigando en la dirección de crear compuestos poliméricos, cuyas moléculas consisten exclusivamente en átomos de nitrógeno conectados por enlaces simples. Como resultado de la descomposición de un compuesto polimérico bajo la acción del calentamiento, el nitrógeno forma moléculas simples de dos átomos conectados por un triple enlace. La energía liberada en este caso es el doble de la energía de los explosivos de nitramina. Por primera vez, científicos rusos y alemanes obtuvieron compuestos de nitrógeno con una red cristalina similar a un diamante en 2009 durante experimentos en una planta piloto conjunta bajo la acción de una presión de 1 millón de atmósferas y una temperatura de 1725 ° C. Actualmente, se está trabajando para lograr el estado metaestable de los polímeros de nitrógeno a presión y temperatura normales.
Los óxidos de nitrógeno superiores son compuestos químicos prometedores que contienen oxígeno. El conocido óxido nítrico V (una molécula plana que consta de dos átomos de nitrógeno y cinco átomos de oxígeno) no tiene ningún valor práctico como componente del combustible sólido debido a su bajo punto de fusión (32 ° C). Las investigaciones en esta dirección se llevan a cabo buscando un método para la síntesis de óxido nítrico VI (hexaóxido de tetra-nitrógeno), cuya molécula marco tiene la forma de un tetraedro, en cuyos vértices hay cuatro átomos de nitrógeno unidos a seis átomos de oxígeno ubicados en los bordes del tetraedro. El cierre completo de los enlaces interatómicos en la molécula de óxido nítrico VI permite predecir por ella una mayor estabilidad térmica, similar a la de la urotropina. El balance de oxígeno del óxido nítrico VI (más un 63%) permite aumentar significativamente la gravedad específica de componentes de alta energía como metales, hidruros metálicos, nitraminas y polímeros de hidrocarburos en el combustible sólido para cohetes.
