Новые Космические Корабли И Двигатели, Клипер.Орион.Жюль Верн и др Опции

[Гость_Nils_*]

Новые космические корабли и двигатели

[Гость_Nils_*]

Последний бой углеводородов

В.Азов, Д.Воронцов специально для «Новостей космонавтики»

(IMG:http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/content/numbers/301/004.jpg)
Старт одного из последних «Союзов-У2» 14.03.1995

23 декабря 2007 г. исполнилось 25 лет со дня первого пуска ракеты 11А511У2 («Союз-У2»). Носитель, стартовавший с космодрома Байконур, вывел на орбиту спутник «Космос-1425» (КА видовой разведки «Зенит-6У»). Казалось бы – рядовой, даже рутинный запуск, если бы не одно «но». В баки ракеты, вместо всем привычного ракетного керосина РГ-1, было впервые заправлено новое горючее – «синтин». Этот синтетический углеводород, известный также как «циклин», до сего дня остается одной из загадок отечественной космонавтики. Попытку приоткрыть завесу таинственности и представляет собой эта статья.

Одним из главных и, заметим, весьма сложных вопросов при проектировании РН является выбор компонентов топлива. Несмотря на обилие химических веществ, пригодных для использования в качестве компонентов ракетного топлива (КРТ), далеко не все из них нашли применение в ракетной технике. Кроме высокой энергетики, КРТ должны отвечать множеству разнообразных, порой противоречивых, экономических, эксплуатационных, экологических и иных требований.


С точки зрения энергетики и экологической чистоты, топливная пара «жидкий кислород – жидкий водород» (ЖК–ЖВ) – вне конкуренции. О несомненных достоинствах этой «криогенной парочки» мы уже писали неоднократно. Однако ЖВ пока еще дорог и весьма «тяжел» в эксплуатации. В реальных условиях российские ракетно-космические специалисты, особенно эксплуатанты, предпочитают что-нибудь попроще.


По причине высокой токсичности и дороговизны, похоже, последние дни доживает топливо «гептил – амил».


Из топлива «керосин – ЖК», кажется, выжато все, что можно, и дальнейших перспектив повышения энергетических возможностей ЖРД на этих компонентах не просматривается. Тем не менее в 1970–1980-х годах химики вроде бы нашли выход из «керосинового тупика». Разработав и передав в эксплуатацию несколько видов синтетического горючего, они дали «последний бой» наступающему водороду.
Казалось бы, что может быть проще керосина или бензина, встречающихся нам на каждом шагу, – самого обычного горючего для автомобилей, самолетов или просто средства для разжигания костров? Как ракетное горючее, в паре с ЖК керосин широко использовался для одной или нескольких ступеней многих РН: все семейство Р-7 (СССР/Россия), «Зенит» (СССР/Украина), «Энергия» (СССР), Saturn-I/IB/V, Delta I-III, Atlas (США), N1, N2, H1 (Япония). Китай также планирует использование керосина в перспективном семействе РН модульной конструкции.


Термином «керосин» обычно обозначаются продукты переработки нефти с примерным диапазоном температуры кипения 200–300°С, представляющие собой смесь сотен или даже тысяч индивидуальных веществ. Основные компоненты смеси – углеводороды различных классов, включая ароматические, с числом атомов углерода от 8 до 17, хотя возможно присутствие малых количеств как более легких, так и более тяжелых компонентов. Допустимый состав смеси задается требованиями к таким качествам керосина, как температуры кипения, замерзания и воспламенения, давление пара, вязкость, наличие вредных примесей и др.


Керосиновые топлива включают в себя авиационное и ракетное горючее; при этом требования к каждой из групп значительно отличаются. Первые попытки применить авиационный керосин на ракетах в 1950-е годы показали необходимость создания специального ракетного керосина с более жесткими, а иногда и более специфическими ограничениями на некоторые параметры горючего. В итоге появились ракетные керосины РГ-1 в СССР и RP-1 в США, и поныне являющиеся основными углеводородными ракетными топливами в этих странах.


Каковы же специфические требования к ракетному керосину и чем он отличается от авиационного? В сравнении с авиационными топливами ТС-1 в России и JP-8 в США, применяемыми в гражданской авиации, РГ-1 и RP-1 имеют следующие свойства:


- Гораздо более узкий диапазон допустимых плотностей.


- Малое количество компонентов, приводящих к образованию нагара при регенеративном охлаждении, – олефинов и ароматических соединений.


- Низкое содержание серосодержащих компонентов, ведущих к образованию отложений на медных поверхностях при регенеративном охлаждении. Например, по сравнению со стандартным авиационным керосином JP-8 содержание серы в RP-1 ниже в ~20 раз.


- Желательно более узкий диапазон средней удельной теплоты образования – это важно для более точного соответствия удельного импульса Isp расчетному.


Сравнительный анализ свойств ракетных керосинов РГ-1 и RP-1 (см. таблицу на с. 46) выявляет некоторые преимущества отечественного горючего: при почти равной теплоте сгорания оно примерно на 3% плотнее (0.832 против 0.806 при 22°С) и содержит серы на ~20% меньше, чем его американский аналог.


Недостатки керосинов (нестабильность свойств от партии к партии, недостаточные энергетические характеристики) в конце 1950-х – начале 1960-х годов обусловили интенсивные поиски их возможных заменителей, которые могли бы применяться без значительных изменений конструкции двигателя и ракеты. Были предложены синтетические углеводороды, содержащие 3- и 4-членные циклы, а именно производные циклопропана и циклобутана. Энергия, затрачиваемая на деформацию валентных углов атомов углерода при синтезе соединений с циклопропановыми или циклобутановыми фрагментами, «консервируется» в полученном соединении и выделяется в виде дополнительного тепла при сгорании вещества.


Необходимо отметить кардинальное отличие синтетического углеводородного горючего (УВГ) от синтетического жидкого топлива (СЖТ), которое, например, в значительных количествах производилось в Германии в годы Второй мировой войны. Фракции СЖТ представляют собой смесь углеводородов, по свойствам сходных с соответствующими фракциями перегонки нефти, такими как керосин, бензин или дизельное топливо. Высокоэнергетические ракетные УВГ – индивидуальные вещества, получаемые в результате последовательности химических реакций из простых органических соединений, таких как этилен или пропилен, которые, в свою очередь, в зависимости от технологии могут быть получены из нефти, газа или даже растительных или животных продуктов.


В 1960-е годы в США было запатентовано довольно много соединений, содержащих циклопропановые фрагменты, однако дальше этого дело не пошло. Большинство из веществ не полностью удовлетворяли таким требованиям, как температура вспышки и температура кипения. Кроме того, стоимость синтетического горючего оказалась чрезмерной.

_http://www.novosti-kosmonavtiki.ru

Сообщение отредактировал Nils - 2.03.2008, 6:58