Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ракеталық қозғалтқыш отынының түрі
Type of rocket engine fuel
Гиперголикалық отын – бұл ракеталық қозғалтқышта қолданылатын, құрамындағы компоненттер бір-бірімен жанасқанда өздігінен тұтанатын отын комбинациясы. Осы отынның екі құрамында әдетте отын және тотықтырғыш болады. Гиперголикалық отындардың басты артықшылығы – оларды бөлме температурасында сұйық күйде сақтауға болады, ал олармен жұмыс істейтін қозғалтқыштарды сенімді және қайта-қайта тұтандыру оңай. Гиперголикалық отындармен жұмыс істеу олардың жоғары улылығы немесе коррозиялық қасиеттеріне байланысты қиын болуы мүмкін. Қазіргі қолданыста "гиперголь" және "гиперголикалық отын" терминдері көбінесе ең көп қолданылатын отын комбинациясын білдіреді: динитроген тетрооксиді және гидразин.
A hypergolic propellant is a rocket propellant combination used in a rocket engine, whose components spontaneously ignite when they come into contact with each other. The two propellant components usually consist of a fuel and an oxidizer. The main advantages of hypergolic propellants are that they can be stored as liquids at room temperature and that engines which are powered by them are easy to ignite reliably and repeatedly. Common hypergolic propellants are difficult to handle due to their extreme toxicity or corrosiveness. In contemporary usage, the terms "hypergol" and "hypergolic propellant" usually mean the most common such propellant combination: dinitrogen tetroxide plus hydrazine.
Тарих
1935 жылы Хеллмут Вальтер гидразин гидратының 80–83% сынақтан өткен сутек пероксидімен гипергольді екенін анықтады. Ол, мүмкін, осы құбылысты алғаш ашқан адам және отын әзірлеу жұмысына кірісті. Профессор Отто Луц Вальтер компаниясына 30% гидразин гидраты, 57% метанол және 13% судан тұратын, жоғары беріктіктегі сутек пероксидімен спонтанды түрде тұтанатын C Stoff құрамын әзірлеуге көмектесті. 1940 жылы GALCIT және Navy Annapolis зерттеушілері АҚШ-та гипергольді отындарды екінші рет тәуелсіз түрде ашты. Олар анилин және қызыл түтінді азот қышқылымен (RFNA) жұмыс істейтін қозғалтқыштар жасады. Роберт Годдард, Reaction Motors және Curtiss Wright 1940-жылдардың басында шағын зымырандар мен реактивтік көтерілуге (JATO) арналған анилин/азот қышқылы қозғалтқыштарын сынады. Жоба нәтижесінде бірнеше Martin PBM және PBY бомбалаушы ұшақтары сәтті көтерілді, бірақ отын мен тотықтырғыштың уытты қасиеттері, сондай-ақ анилиннің жоғары қату температурасы жобаны ұнатпады. Екінші мәселе ақырында анилинге аздаған мөлшерде фурфурил спирті қосылып шешілді. Монергольдер монопропелленттер болды, ал гипергольді емес отындар – сыртқы тұтануды қажет ететін бипропелленттер, ал литергольдерлер қатты/сұйық гибридтер еді. Гипергольді отындар (немесе кем дегенде гипергольді тұтану) электрлік немесе пиротехникалық тұтануға қарағанда қатты бастауға бейім емес еді. "Гипергол" терминін Германияның Брансвик техникалық университетінің докторы Вольфганг Нёггерат енгізді. Ракеталық қозғалтқышпен жабдықталған жалғыз қолданылған истребитель – Messerschmitt Me 163B Komet. Komet HWK 109 509 ракеталық қозғалтқышымен жабдықталған, ол отын ретінде метанол/гидразин, ал тотықтырғыш ретінде жоғары сынақтан өткен сутек пероксиді T Stoff-ты тұтынды. Гипергольді ракеталық қозғалтқыш жылдам көтерілу және жылдам шабуыл тактикасының артықшылықтарын ұсынды, бірақ өте тұрақсыз және кез келген бейқамдықтан жарылуға қабілетті еді. Heinkel Julia сияқты басқа ұсынылған ракеталық истребительдер мен DFS 228 сияқты барлау ұшақтары Walter 509 сериялы ракеталық қозғалтқыштарын пайдалануға арналған, бірақ Me 163-тен басқа, Walter ракеталық жүйесімен әскери мақсаттағы ұшақтарды ұшыруға сынаған Bachem Ba 349 Natter тік ұшыруға арналған бір реттік ұшақ ғана болды. Ең алғашқы баллистикалық зымырандар, мысалы, Советтің R-7 зымыраны, Спутник-1-ді ұшырған, сондай-ақ АҚШ-тың Atlas және Titan 1 зымырандары керосин мен сұйық оттегін пайдаланды. Олар ғарышқа зымырандарды ұшыруда артықшылыққа ие болғанымен, зымыранды айлар немесе жылдар бойы ұшыруға дайын күйде ұстау үшін сұйық оттегі сияқты криогенді сақтаудағы қиындықтар АҚШ-тың Titan II және көптеген советтік құрлықтағы баллистикалық зымырандарында (мысалы, R-36) гипергольді отындарға көшуге әкелді. Бірақ мұндай коррозиялық және уытты материалдардың қиындықтары, соның ішінде жарақаттануға әкелетін ағып кетулер және Titan II зымыранының шахтасында болған жарылыс, оларды қатты отын күшейткіштерімен ауыстыруға әкелді, бірінші кезекте батыс елдерінің суасты зымырандарында, содан кейін АҚШ және Совет Одағының құрлықтағы баллистикалық зымырандарында. Гидразин, монометилгидразин және диметилгидразин сияқты ең көп қолданылатын гипергольді отындар, сондай-ақ азот тетроксиді тотықтырғышы, қалыпты температура мен қысымда сұйық күйде болады. Сондықтан оларды кейде сақталатын сұйық отындар деп атайды. Олар жылдар бойы созылатын ғарыш миссияларында қолдануға жарамды. Сұйық сутегі мен сұйық оттегінің криогенділігі олардың практикалық қолданылуын ғарышқа зымырандарды ұшыруға шектеді, онда оларды қысқа мерзімге ғана сақтау қажет. Криогенді отындарды планетаралық кеңістікте пайдаланудағы ең үлкен мәселе – бұл булану, ол ғарыш кемесінің масштабына байланысты. Starship сияқты үлкен аппараттар үшін бұл мәселе азырақ. Гипергольді отындардың тағы бір артықшылығы – криогенді отындармен салыстырғанда олардың жоғары тығыздығы. LOX-тың тығыздығы 1,14 г/мл, ал гипергольді тотықтырғыштар, мысалы, азот қышқылы немесе азот тетроксиді тиісінше 1,55 г/мл және 1,45 г/мл тығыздыққа ие. LH2 отыны өте жоғары өнімділікті ұсынады, бірақ оның тығыздығы тек ракетаның ең үлкен сатыларында ғана қолдануға мүмкіндік береді, ал гидразин мен UDMH қоспаларының тығыздығы кем дегенде он есе жоғары. Бұл ғарыш зондтары үшін өте маңызды, өйткені жоғары отын тығыздығы олардың отын резервуарларының көлемін айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді, бұл өз кезегінде зондты кішірек жүк кабинасына орналастыруға мүмкіндік береді.
In 1935, Hellmuth Walter discovered that hydrazine hydrate was hypergolic with high test peroxide of 80–83%. He was probably the first to discover this phenomenon, and set to work developing a fuel. Prof. Otto Lutz assisted the Walter Company with the development of C Stoff which contained 30% hydrazine hydrate, 57% methanol, and 13% water, and spontaneously ignited with high strength hydrogen peroxide. Hypergolic propellants were discovered independently, for the second time, in the U. S. by GALCIT and Navy Annapolis researchers in 1940. They developed engines powered by aniline and red fuming nitric acid (RFNA). Robert Goddard, Reaction Motors, and Curtiss Wright worked on aniline/nitric acid engines in the early 1940s, for small missiles and jet assisted take off (JATO). The project resulted in the successful assisted take off of several Martin PBM and PBY bombers, but the project was disliked because of the toxic properties of both fuel and oxidizer, as well as the high freezing point of aniline. The second problem was eventually solved by the addition of small quantities of furfuryl alcohol to the aniline. Monergols were monopropellants, while non hypergols were bipropellants which required external ignition, and lithergols were solid/liquid hybrids. Hypergolic propellants (or at least hypergolic ignition) were far less prone to hard starts than electric or pyrotechnic ignition. The "hypergole" terminology was coined by Dr. Wolfgang Nöggerath, at the Technical University of Brunswick, Germany. The only rocket powered fighter ever deployed was the Messerschmitt Me 163B Komet. The Komet had a HWK 109 509, a rocket motor which consumed methanol/hydrazine as fuel and high test peroxide T Stoff as oxidizer. The hypergolic rocket motor had the advantage of fast climb and quick hitting tactics at the cost of being very volatile and capable of exploding with any degree of inattention. Other proposed combat rocket fighters like the Heinkel Julia and reconnaissance aircraft like the DFS 228 were meant to use the Walter 509 series of rocket motors, but besides the Me 163, only the Bachem Ba 349 Natter vertical launch expendable fighter was ever flight tested with the Walter rocket propulsion system as its primary sustaining thrust system for military purpose aircraft. The earliest ballistic missiles, such as the Soviet R 7 that launched Sputnik 1 and the U. S. Atlas and Titan 1, used kerosene and liquid oxygen. Although they are preferred in space launchers, the difficulties of storing a cryogen like liquid oxygen in a missile that had to be kept launch ready for months or years at a time led to a switch to hypergolic propellants in the U. S. Titan II and in most Soviet ICBMs such as the R 36. But the difficulties of such corrosive and toxic materials, including injury causing leaks and the explosion of a Titan II in its silo, led to their near universal replacement with solid fuel boosters, first in Western submarine launched ballistic missiles and then in land based U. S. and Soviet ICBMs. The most common hypergolic fuels, hydrazine, monomethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine, and oxidizer, nitrogen tetroxide, are all liquid at ordinary temperatures and pressures. They are therefore sometimes called storable liquid propellants. They are suitable for use in spacecraft missions lasting many years. The cryogenity of liquid hydrogen and liquid oxygen has so far limited their practical use to space launch vehicles where they need to be stored only briefly. As the largest issue with the usage of cryogenic propellants in interplanetary space is boil off, which is largely dependent on the scale of spacecraft, for larger craft such as Starship this is less of an issue. Another advantage of hypergolic propellants is their high density compared to cryogenic propellants. LOX has a density of 1.14 g/ml, while on the other hand, hypergolic oxidizers such as nitric acid or nitrogen tetroxide have a density of 1.55 g/ml and 1.45 g/ml respectively. LH2 fuel offers extremely high performance, yet its density only warrants its usage in the largest of rocket stages, while mixtures of hydrazine and UDMH have a density at least ten times higher. This is of great importance in space probes, as the higher propellant density allows the size of their propellant tank to be reduced significantly, which in turn allows the probe to fit within a smaller payload fairing.
Кемшіліктер
Массасына қатысты, дәстүрлі гипергольдік отындар LH2 / LOX немесе LCH4 / LOX сияқты криогендік отын қоспаларына қарағанда төмен жылу сыйымдылығына ие. Сондықтан гипергольдік отынды пайдаланатын ұшыру құралы, осы криогендік отындарды пайдаланатынға қарағанда, көбірек отын массасын тасымалдауы тиіс. Дәстүрлі гипергольдік отындардың коррозиялық, уытты және канцерогендік қасиеттеріне байланысты қымбат қауіпсіздік шаралары қажет. Мысалы, "Шайтанның уы" деген лақап аты бар, ерекше қауіпті UDMH азот қышқылы отын қоспасымен қауіпсіздік процедураларын жеткілікті түрде сақтамау салдарынан тарихтағы ең ауыр зымыран апаты – Неделин апаты орын алды.
Relative to their mass, traditional hypergolic propellants possess a lower calorific value than cryogenic propellant combinations like LH2 / LOX or LCH4 / LOX. A launch vehicle that uses hypergolic propellant must therefore carry a greater mass of fuel than one that uses these cryogenic fuels. The corrosivity, toxicity, and carcinogenicity of traditional hypergolics necessitate expensive safety precautions. Failure to follow adequate safety procedures with an exceptionally dangerous UDMH nitric acid propellant mixture nicknamed "Devil's Venom", for example, resulted in the deadliest rocketry accident in history, the Nedelin catastrophe.
Ұсынылған, ұшпайтын қалды
Хлор трифторлы (ClF3) + барлық белгілі отындар – Барлық стандартты отындармен өте жоғары гиперголиялық қасиеттері болғандықтан, қысқа мерзімге тотықтырғыш ретінде қарастырылды, бірақ 70-ші жылдары осы затты қауіпсіз қолдану қиын болғандықтан тоқтатылды. Хлор трифторлы бетон мен ұсақ тастарды жағуға қабілетті. Хлор пентафторлы (ClF5) да сол қауіптерді тудырады, бірақ ClF3-ке қарағанда жоғары специфификалық импульс береді. Пентабор(9) және диборан + азот тетроксиді – Пентабор(9), «Zip» отыны деп аталатын, советтік ракета ғалымы В. П. Глушко RD 270M ракеталық қозғалтқышында азот тетроксидімен бірге қолдану мақсатында зерттелді. Бұл отын комбинациясы өнімділіктің айтарлықтай өсуіне әкелген болар еді, бірақ уыттылығына байланысты бас тартылды. Тетраметилэтилендиамин + IRFNA – Гидразин мен оның туындыларына қарағанда аз уытты балама.
Chlorine trifluoride (ClF3) + all known fuels – Briefly considered as an oxidizer given its high hypergolicity with all standard fuels, but ultimately abandoned in the 70s due to the difficulty of handling the substance safely. Chlorine trifluoride is known to burn concrete and gravel. Chlorine pentafluoride (ClF5) presents the same hazards, but offers higher specific impulse than ClF3. Pentaborane(9) and diborane + nitrogen tetroxide – Pentaborane(9), a so called Zip fuel, was studied by Soviet Rocket Scientist V. P. Glushko for usage in combination with nitrogen tetroxide in the RD 270M rocket engine. This propellant combination would have yielded a significant increase in performance, but was ultimately given up due to toxicity concerns. Tetramethylethylenediamine + IRFNA – A sightly less toxic alternative to Hydrazine and its derivatives.
Қатынасты технология
Ауаның қатысуымен өздігінен тұтанатын пирофорлы заттар кейде ракета отыны ретінде немесе басқа отынды тұтандыру үшін қолданылады. Мысалы, триэтилборан және триэтилалюминийдің қоспасы (екеуі де жеке және одан да көп бірге пирофорлы) SR-71 Blackbird ұшағындағы және Saturn V зымыранының F-1 қозғалтқыштарында қозғалтқыштарды іске қосу үшін пайдаланылды, сондай-ақ SpaceX Falcon 9 зымыранының Merlin қозғалтқыштарында қолданылады.
Pyrophoric substances, which ignite spontaneously in the presence of air, are also sometimes used as rocket fuels themselves or to ignite other fuels. For example a mixture of triethylborane and triethylaluminium (which are both separately and even more so together pyrophoric), was used for engine starts in the SR 71 Blackbird and in the F 1 engines on the Saturn V rocket and is used in the Merlin engines on the SpaceX Falcon 9 rockets.