Криогенное ракетное топливо — низкокипящее жидкое ракетное топливо , хотя бы один из компонентов ( окислитель , горючее ) которого является криогенным , то есть находится при температуре ниже 120 К (−153,15 °C ) . К криогенным компонентам топлива относятся сжиженные газы: кислород , водород , фтор и другие. Противоположностью криогенным являются высококипящие компоненты, то есть такие, которые могут использоваться при температуре выше 298 К (24,85°C) .

Компоненты криогенного топлива

Компоненты криогенного топлива — сжиженные газы с температурой кипения ниже 120 К. Наиболее распространённым криогенным компонентом является жидкий кислород, используемый в качестве окислителя в ракетах космического назначения . В паре с кислородом могут использоваться различные виды горючего. На современных ракетах это различные разновидности керосина , а также криогенные горючие, в первую очередь водород . Разрабатываются и испытываются двигатели , использующие в качестве горючего сжиженные метан и природный газ (СПГ) . В качестве криогенных окислителей рассматривались также сжиженные фтор и озон , но, несмотря на высокую ожидаемую эффективность, практического применения они не нашли из-за сложности в обращении, большой взрывоопасности, крайней химической агрессивности и токсичности .

Жидкий водород в качестве горючего и жидкий кислород как окислитель позволяют получить максимальную среди доступных топлив эффективность , это сочетание, как дающее при сгорании наибольшую скорость истечения газов, было предложено ещё К. Э. Циолковским в качестве «эталонной топливной пары», с которой он сравнивал другие возможные варианты ракетного топлива. Впоследствии, рассматривая также удобство эксплуатации различных топлив, Циолковский предложил заменить водород углеводородами с возможно большим содержанием водорода в молекуле . Жидкий водород имеет низкую плотность, что требует создания крупных топливных баков, усложняет и утяжеляет конструкцию ракеты и уменьшает её массовое совершенство . Для увеличения плотности горючего и уменьшения потерь на испарение в cовременной ракетной технике используется охлаждённый до температуры 14 К зашугованный водород, то есть находящийся в состоянии, где одновременно присутствуют жидкая и твёрдая фаза в виде крупнодисперсной взвеси .

Эффективность производства

За последние десятилетия процессы сжижения газа улучшились с появлением более совершенного оборудования и контроля потерь тепла в системе. Типичные методы используют преимущество температуры газа, который резко охлаждается, когда регулируемое давление газа сбрасывается. Достаточное повышение давления и последующий сброс давления могут привести к сжижению большинства газов, как показано на примере эффекта Джоуля — Томсона .

Сжиженный природный газ

Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования является достаточно рентабельным, во время этого процесса потребляется примерно от 10 до 15 процентов газа . Оптимальный процесс включает четыре стадии охлаждения пропана и две стадии охлаждения этилена. Может быть добавлена дополнительная ступень хладагента , но дополнительные затраты на сопутствующее оборудование не оправданы с экономической точки зрения .

Преимущества и недостатки

Криогенные компоненты позволяют получить самые высокие значения удельного импульса среди доступных химических ракетных топлив, из-за чего широко используются в космических ракетах-носителях . При этом используемые криогенные компоненты (кислород, водород, метан) являются нетоксичными и в случае разливов наносят существенно меньший вред окружающей среде, чем высококипящие окислители на основе азотной кислоты и тетраоксида диазота и разновидности ракетного горючего на основе производных гидразина .

В то же время криогенные компоненты сложны в эксплуатации, из-за высоких потерь на испарение не могут транспортироваться и храниться без принятия специальных мер и вне специально созданных и сложно устроенных емкостей и хранилищ . Ракеты, использующие криогенные компоненты топлива, не могут длительное время находиться в заправленном состоянии и в случае задержки пуска требуют непрерывной подпитки баков или отмены старта со сливом топлива . На космических аппаратах, где невозможно организовать требуемую степень теплоизоляции из-за ограничений массы, применение криогенных компонентов также ограничено. Кроме того, низкие температуры, при которых должны находиться криогенные компоненты, требуют особого выбора материалов и конструкции топливных баков и двигателей .

Применение

Опытные ракеты на жидком топливе, создаваемые 1920-х — 1930-х годах Р. Годдардом в США , (англ.) ( (VfR) в Германии , Группой изучения реактивного движения в СССР использовали в качестве окислителя жидкий кислород в сочетании с лёгкими углеводородами и другими видами горючего. В то же время группы Л. Крокко в Италии и В. П. Глушко в ленинградской Газодинамической лаборатории экспериментировали с высококипящими топливами, использующими в качестве окислителя азотный тетраоксид и азотную кислоту .

На первой в мире баллистической ракете дальнего действия « A-4 » («V-2»), разработанной Вернером фон Брауном и принятой в Германии на вооружение в конце Второй мировой войны , окислителем был жидкий кислород, а горючим — 75% этиловый спирт , позволивший, при небольшом снижении эффективности относительно углеводородных горючих, уменьшить температуру в камере сгорания, упростить конструкцию двигателя и увеличить время его работы . Топливная пара «жидкий кислород — этиловый спирт» использовалась и на послевоенных ракетах, создаваемых в СССР и США, таких как « Р-1 », « Р-2 », « Р-5 » , « Викинг », « Редстоун », ракетоплан « X-1 » и других . Первые советские и американские межконтинентальные ракеты (« Р-7 », « Р-9 », « Атлас », « Титан-1 ») и американские ракеты средней дальности (« Тор », « Юпитер ») также использовали жидкий кислород в качестве окислителя в паре с керосином в качестве горючего, однако сложность обращения с криогенными компонентами и длительное время предстартовой подготовки привели к тому, что на боевых ракетах стали применяться высококипящие, а впоследствии и твёрдые топлива .

Благодаря высокой эффективности криогенные топлива широко используются в ракетах космического назначения, позволяя увеличить массу полезного груза или уменьшить массу и габариты носителя . Первая советская межконтинентальная ракета «Р-7», использовавшая в качестве окислителя жидкий кислород, снята с вооружения в конце 1960-х годов, но космические комплексы на её базе работают и в XXI веке . Следующие поколения ракет «Атлас» , уже специально созданных как космические носители, также используют жидкий кислород, как и « Н-1 », « Сатурн », « Зенит », « Фэлкон », « Ангара » и другие. Жидкий кислород используется и в разгонных блоках семейства « ДМ », позволяя сократить количество включений и получить высокую точность выведения космических аппаратов .

Использование топливной пары «жидкий кислород — жидкий водород», несмотря на множество технических трудностей, даёт большие преимущества при использовании на ракетах тяжёлого класса . Эта пара использовалась на верхних ступенях ракет семейства «Сатурн», системой « Спейс шаттл », применяется на носителях « Ариан-5 », « Дельта-4 », « H-IIA », ракетах семейства « Чанчжэн », на ступени « Центавр » и других. Единственной летавшей советской ракетой на кислород-водородном топливе была сверхтяжелая « Энергия » . Заявлено о разработке кислород-водородного разгонного блока КВТК для носителя «Ангара» .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Космонавтика: Энциклопедия (рус.) / Гл. ред. В. П. Глушко ; Редколлегия: В. П. Бармин , К. Д. Бушуев , В. С. Верещетин и др.. — М. : Советская энциклопедия, 1985. — 528 с.
• Б. Е. Черток . Ракеты и люди (рус.) . Горячие дни холодной войны. — М. : Машиностроение , 1997. — Т. 3. — 536 с. — ISBN 5-217-02874-2 .
• Clark John D. (англ.) . — New Brunswick, New Jersey: Rutgers University Press , 1972. — 198 p. — ISBN 0-8135-0725-1 .