Сұйық отынды ракеталар және олардың түрлері

Кіріспе

Ракеталық жанармайлардың сұйық түрі

Ең жоғары нақты импульсқа ие химиялық ракеталар сұйық жанармайларды (сұйық жанармайлы ракеталар) пайдаланады. Олар бір химиялық заттан (монопропеллент) немесе екі химиялық заттың қоспасынан, яғни бипропелленттен тұруы мүмкін. Бипропелленттерді тағы екі категорияға бөлуге болады: отын мен тотықтырғыш жанасқанда өзінен-өзі тұтанатын гипергольді жанармайлар және тұтану көзін қажет ететін гипергольді емес жанармайлар. Жанармай ретінде қолданылатын сұйық отыннан жасалған шамамен 170 түрлі пропеллент сынақтан өткен, оның ішінде пропеллент қоспалары, коррозияға қарсы заттар немесе тұрақтандырғыштар сияқты нақты пропелленттің шағын өзгерістері ескерілмеген. АҚШ-та ғана кем дегенде 25 түрлі пропеллент комбинациясы қолданылған. Сұйық ракеталық қозғалтқыш үшін жанармайды таңдауда көптеген факторлар қарастырылады. Басты факторлар: қолданудың қарапайымдығы, құны, қауіптілігі/экологиялық әсері және тиімділігі.

ХХ ғасырдың басындағы дамуы

Константин Циолковский 1903 жылы "Көк кеңістікті зымыран құрылғыларымен зерттеу" деген мақаласында сұйық отынды пайдалануды ұсынды. 1926 жылдың 16 наурызында Роберт Годдард сұйық оттегін (LOX) және бензинді зымыран отыны ретінде алғашқы, толыққанды сәтті болмаған сұйық отынды зымыранды ұшыру үшін қолданды. Екі отын да оңай қолжетімді, арзан және жоғары энергиялы. Оттегі – орташа криогендік зат, себебі ауа сұйық оттегіге толы ыдысқа сұйытылмайды, сондықтан LOX-ты ракетада артық оқшаулаусыз қысқа мерзімге сақтауға болады. Германияда инженерлер мен ғалымдар 1920 жылдардың соңында сұйық қозғалтқыштарға қызығып, Рюссельсхаймдегі Opel RAK компаниясында ракеталар жасап, сынақтан өткізді. Макс Вальедің мәліметінше, Opel RAK зымыран конструкторы Фридрих Вильгельм Сандер 1929 жылдың 10 және 12 сәуірінде Рюссельсхаймдегі Opel Rennbahn трассасында сұйық отынмен екі зымыран ұшырды. Бұл Opel RAK зымырандары Еуропадағы алғашқы, ал Годдардтан кейінгі екінші сұйық отынмен жұмыс істейтін зымырандар болды.

Екінші дүниежүзілік соғыс дәуірі

Германия Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін және оның кезінде стратегиялық V2 зымыраны және басқа да зымырандар үшін ракеталарды жапсары дамытты. V2 спирт/LOX сұйық отын қозғалтқышын пайдаланды, ал отын сорғыларын іске қосу үшін сутек пероксиді қолданылды. Қозғалтқышты салқындату үшін спирт сумен араластырылды. Германия мен АҚШ LOX-тан әлдеқайда жоғары тығыздықта сақталатын сұйық тотықтырғыш пен жоғары тығыздықтағы тотықтырғышпен жанасқанда өздігінен тұтанатын сұйық отынды қолданатын қайта пайдалануға болатын сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталық қозғалтқыштарды жасады. Германияның әскери мақсаттағы ракеталық қозғалтқыштарының ірі өндірушісі HWK фирмасы 109 500 нөмірлі RLM ракеталық қозғалтқыш жүйелерін өндірді және сутек пероксидін Starthilfe ракеталық қозғалтқыштарын қосалқы ұшып шығу үшін моноотын ретінде; немесе MCLOS басқарылатын әуе-теңіз сырғанауыш бомбаларының итермелеуі ретінде; ал гидразин гидраты мен метил спиртінен тұратын отын қоспасымен бірге сол тотықтырғыштың екі компонентті комбинациясын адамдар тасымалдайтын ұшақтарды қозғалтуға арналған ракеталық қозғалтқыш жүйелерінде пайдаланды. АҚШ-тың қозғалтқыштары тотықтырғыш ретінде азот қышқылын және отын ретінде анилиннің екі компонентті комбинациясын пайдаланды. Екі қозғалтқыш та ұшақтарды қуаттандыру үшін қолданылды, Walter 509 сериялы неміс қозғалтқыштарының жобаларындағы Me 163 Komet ұшқыштары және екі елдің RATO құрылғылары (Luftwaffe үшін Starthilfe жүйесі сияқты) ұшақтарды ұшып шығуға көмектесу үшін қолданылды, бұл АҚШ-тың сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталық қозғалтқыш технологиясының басты мақсаты болды – оның көп бөлігі АҚШ Әскери-теңіз күштері офицері Роберт Труакстың ойларынан туындады.

1950 және 1960 жылдар

1950-1960 жылдары жоғары энергиялы сұйық және қатты отындарды табу үшін қозғалтқыш химияшыларының қызметі күшейді, олар оларды әскери мақсаттарға сәйкес етуге тырысты. Ірі стратегиялық зымырандар көп жылдар бойы құрлықтағы немесе су астындағы силосқа орналасып, кез келген сәтте ұшыруға дайын болуы керек. Ракеталардың қалың мұз қабаттарымен жабылуына себеп болатын, үнемі салқындатуды қажет ететін отындар практикалық емес еді. Әскерилер қауіпті материалдарды қолдануға дайын болғандықтан, көптеген қауіпті химиялық заттар ірі көлемде жасалды, олардың көпшілігі операциялық жүйелерге жарамсыз деп танылды. Мысалы, азот қышқылының өзі тұрақсыз болды және көптеген металдарды жеңді, сақтауды қиын етті. Аз мөлшерде азот тетроксидін қосу қоспаны қызыл түске айналдырып, құрамын өзгертуден сақтады, бірақ азот қышқылы орналастырылған ыдыстарды жеңдейтіні және процесте қысымды арттыратын газдар бөлінетіні мәселесі шешілмеді. Түбегейлі жаңалық – резервуар қабырғаларының ішкі бетінде өздігінен жабылатын металл фторидін түзететін аздаған мөлшерде фторсутек (HF) қосу болды. Бұл "IRFNA" отынын сақтауға мүмкіндік берді. IRFNA немесе таза тотықтырғыш ретінде керосин, ал отын ретінде гипергольді (өздігінен тұтанатын) анилин, гидразин немесе симметриясыз диметилгидразин (UDMH) негізіндегі отын комбинациялары кейіннен АҚШ және Кеңес Одағында стратегиялық және тактикалық зымырандарда қолдану үшін қабылданды. Өздігінен тұтанатын сұйық екі компонентті отындардың LOX/керосинге қарағанда арнайы импульсі төмендеу, бірақ олардың тығыздығы жоғары, сондықтан бірдей көлемдегі резервуарларға көбірек отын сыйыдырылуы мүмкін. 1998 жылы 500 миллиард м3 құрайтын бензиннің орнына басқа көмірсутек отындары қолданыла бастады. Жоғары температурада (700–1100 °C) және металл катализаторы (никель) бар болғанда, бу метанмен реакцияласып, көміртек монооксиді мен сутегін шығарады. Сутек басқа отынға қарағанда өте көлемді; әдетте ол криогендік сұйықтық түрінде сақталады, бұл технология 1950 жылдардың басында Лос-Аламостағы сутек бомбасын жасау бағдарламасы аясында игерілді. Сұйық сутекті гелийді салқындатқыш ретінде пайдалану арқылы қайнаудан қорғап сақтауға және тасымалдауға болады, өйткені гелийдің сутектен гөрі төмен қайнау температурасы бар. Сутек тек ұшыру құралына жүктелгеннен кейін, салқындату жүйесі болмағанда атмосфераға шығарылады. 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында ол сутекпен жұмыс істейтін сатылар үшін, мысалы, Centaur және Saturn зымырандарының жоғарғы сатылары үшін қабылданды. Сутектің тіпті сұйық күйде де тығыздығы төмен, сондықтан үлкен резервуарлар мен сорғылар қажет; қажетті суықты сақтау үшін резервуарды жылу оқшаулау қажет. Бұл қосымша салмақ сатының массалық үлесін азайтады немесе салмақты азайту үшін резервуарлардың қысымын тұрақтандыру сияқты ерекше шараларды қажет етеді. (Қысымы тұрақтандырылған резервуарлар жүктеменің көп бөлігін қатты құрылымдармен емес, ішкі қысыммен көтереді, резервуар материалдарының кернеуге төзімділігін пайдаланады.) Кеңес ракеталық бағдарламасы, техникалық мүмкіндіктердің жетіспеуіне байланысты, 1980 жылдары "Энергия" ядролық сатысына дейін сұйық сутекті отын ретінде қолданбады.

During the 1950s and 1960s there was a great burst of activity by propellant chemists to find high energy liquid and solid propellants better suited to the military. Large strategic missiles need to sit in land based or submarine based silos for many years, able to launch at a moment's notice. Propellants requiring continuous refrigeration, which cause their rockets to grow ever thicker blankets of ice, were not practical. As the military was willing to handle and use hazardous materials, a great number of dangerous chemicals were brewed up in large batches, most of which wound up being deemed unsuitable for operational systems. In the case of nitric acid, the acid itself was unstable, and corroded most metals, making it difficult to store. The addition of a modest amount of nitrogen tetroxide, , turned the mixture red and kept it from changing composition, but left the problem that nitric acid corrodes containers it is placed in, releasing gases that can build up pressure in the process. The breakthrough was the addition of a little hydrogen fluoride (HF), which forms a self sealing metal fluoride on the interior of tank walls that Inhibited Red Fuming Nitric Acid. This made "IRFNA" storeable. Propellant combinations based on IRFNA or pure as oxidizer and kerosene or hypergolic (self igniting) aniline, hydrazine or unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH) as fuel were then adopted in the United States and the Soviet Union for use in strategic and tactical missiles. The self igniting storeable liquid bi propellants have somewhat lower specific impulse than LOX/kerosene but have higher density so a greater mass of propellant can be placed in the same sized tanks. Gasoline was replaced by different hydrocarbon fuels, of 500 billion m3 in 1998. At high temperatures (700–1100 °C) and in the presence of a metal based catalyst (nickel), steam reacts with methane to yield carbon monoxide and hydrogen. Hydrogen is very bulky compared to other fuels; it is typically stored as a cryogenic liquid, a technique mastered in the early 1950s as part of the hydrogen bomb development program at Los Alamos. Liquid hydrogen can be stored and transported without boil off, by using helium as a cooling refrigerant, since helium has an even lower boiling point than hydrogen. Hydrogen is lost via venting to the atmosphere only after it is loaded onto a launch vehicle, where there is no refrigeration. In the late 1950s and early 1960s it was adopted for hydrogen fuelled stages such as Centaur and Saturn upper stages. Hydrogen has low density even as a liquid, requiring large tanks and pumps; maintaining the necessary extreme cold requires tank insulation. This extra weight reduces the mass fraction of the stage or requires extraordinary measures such as pressure stabilization of the tanks to reduce weight. (Pressure stabilized tanks support most of the loads with internal pressure rather than with solid structures, employing primarily the tensile strength of the tank material.) The Soviet rocket programme, in part due to a lack of technical capability, did not use liquid hydrogen as a propellant until the Energia core stage in the 1980s.

Жоғарғы сатыны пайдалану

Сұйық ракеталық қозғалтқыш, сұйық оттегі мен сутекті екі түрлі отын қолданатын, дәстүрлі ракеталар үшін ең жоғары нақты импульс береді. Бұл артық өнімділік көбінесе отын бактарының үлкен болуын талап ететін төмен тығыздық мәселесін толыққанды өтемесе де, жақсартады. Дегенмен, жоғарғы сатыда қолданғанда нақты импульстің шамалы ғана артуы орбитаға шығарылатын жүк мөлшерін едәуір арттыруы мүмкін.

Литий және фтор

Ракеталық қозғалтқышта сынақтан өткен ең жоғары белгілі бір импульстік химиялық құрамы литий мен фтор болды, оның құрамына түйіндеме термодинамикасын жақсарту үшін сутек қосылды (барлық отын компоненттері өз резервуарларында сақталуы тиіс болды, бұл оны үш компонентті отынға айналдырды). Бұл комбинация вакуумда 542 секундтық белгілі бір импульс көрсетті, бұл 5320 м/с тең. Бұл химиялық құрамның практикалық еместігі экзотикалық отындардың неге қолданылмағанының себебін көрсетеді: барлық үш компонентті сұйық күйде ұстау үшін сутекті –252 °C төмен (21 К) және литийді 180 °C жоғары (453 К) температурада ұстау қажет. Литий мен фтордың екеуі де өте коррозиялық. Литий ауамен жанасқанда тұтанады, ал фтор көптеген отындарды, соның ішінде сутекті де жанасады. Фтор және түйіндеме фториді (HF) өте улы, бұл ұшыру алаңында жұмыс істеуді қиындатады, қоршаған ортаға зиян келтіреді және ұшыруға лицензия алуды уыстатады. Литий мен фтордың екеуі де көптеген ракеталық отындармен салыстырғанда қымбат. Сондықтан бұл комбинация ешқашан қолданылмаған. 1950 жылдары Қорғаныс министрлігі литий/фторды баллистикалық зымырандар үшін отын ретінде қарастырды. Бірақ 1954 жылы химиялық зауытта атмосфераға фтор бұлттары шығарған оқиғадан кейін, олар LOX/RP 1 отынын пайдалануға көшті.

Метан

Сұйық метанның сұйық сутектен төмен меншікті импульсі бар, бірақ оның қайнау температурасы мен тығыздығы жоғары болғандықтан, сондай-ақ сутектің шыдамсыздығының болмауы себепті сақтау оңайырақ. Керосинге қарағанда қозғалтқыштарда қалдық аз қалдырады, бұл қайта пайдалану үшін тиімді. Сонымен қатар, Марста Сабатье реакциясы арқылы оны өндіруге болады деп күтілуде. NASA-ның Марс дизайнына қатысты 5.0 нұсқаудағы құжаттарында (2009 және 2012 жылдар аралығында) сұйық метан/LOX (металлокс) қону модулі үшін таңдалған отын қоспасы болды. Метан отынының артықшылықтарын ескере отырып, кейбір жеке ғарыш ұшыру компаниялары 2010 және 2020 жылдары метанға негізделген ұшыру жүйелерін әзірлеуді көздеді. Елдер арасындағы бәсеке "Металлокс орбитаға жарысуы" деп аталды, ал LandSpace-тің Zhuque 2 металлокс зымыраны орбитаға алғашқы жеткені болды. 2024 жылдың қаңтарына қарай екі метанмен жұмыс істейтін зымыран орбитаға жетті. Тағы бірнешеуі әзірленуде, ал екі орбиталық ұшыру әрекеті сәтсіз аяқталды: Zhuque 2 2023 жылдың 12 шілдесінде екінші ұшуында орбитаға сәтті жетті, бұл метанмен жұмыс істейтін алғашқы зымыран болды. Ол 2022 жылдың 14 желтоқсанындағы алғашқы ұшуында орбитаға шыға алмады. LandSpace әзірлеген зымыран TQ 12 қозғалтқышын пайдаланады. Vulcan Centaur 2024 жылдың 8 қаңтарында "Cert 1" деп аталған алғашқы әрекетімен орбитаға сәтті жетті. United Launch Alliance әзірлеген зымыран Blue Origin-нің BE 4 қозғалтқышын пайдаланады, бірақ екінші сатыда гидролокс RL10 қолданылады. Terran 1 2023 жылдың 22 наурызындағы алғашқы ұшуында орбитаға шығу әрекеті сәтсіз аяқталды. Relativity Space әзірлеген зымыран Aeon 1 қозғалтқышын пайдаланады. Starship 2024 жылдың 14 наурызында үшінші ұшуында, екі сәтсіз әрекеттен кейін атмосферадан тыс орбитаға жетті. SpaceX әзірлеген зымыран Raptor қозғалтқышын пайдаланады. SpaceX Starship супер ауыр жүк көтеру зымыран құралы үшін Raptor қозғалтқышын жасады. Ол 2019 жылдан 2023 жылға дейін сынақ ұшуларында қолданылды. Бұрын SpaceX қозғалтқыштарында тек RP 1/LOX отынын пайдаланған. Blue Origin BE 4 LOX/LNG қозғалтқышын New Glenn және United Launch Alliance Vulcan Centaur үшін әзірледі. BE 4 2400 кН (550,000 фунт) итерме күшін қамтамасыз етеді. 2023 жылдың ортасына дейін ULA-ға екі ұшу қозғалтқышы жеткізілді. 2014 жылдың шілдесінде Firefly Space Systems кішкентай спутниктік ұшыру үшін метан отынын пайдалану жоспарларын жариялады, Firefly Alpha зымыранында аэроспайк қозғалтқыш дизайны қолданылады. ESA 980 кН металлокс Prometheus зымыран қозғалтқышын әзірлеп жатыр, ол 2023 жылы сынақтан өтті.

Liquid methane has a lower specific impulse than liquid hydrogen, but is easier to store due to its higher boiling point and density, as well as its lack of hydrogen embrittlement. It also leaves less residue in the engines compared to kerosene, which is beneficial for reusability. In addition, it is expected that its production on Mars will be possible via the Sabatier reaction. In NASA's Mars Design Reference Mission 5.0 documents (between 2009 and 2012), liquid methane/LOX (methalox) was the chosen propellant mixture for the lander module. Due to the advantages methane fuel offers, some private space launch providers aimed to develop methane based launch systems during the 2010s and 2020s. The competition between countries was dubbed the Methalox Race to Orbit, with the LandSpace's Zhuque 2 methalox rocket becoming the first to reach orbit. as of 2024, two methane fueled rockets have reached orbit. Several others are in development and two orbital launch attempts failed:
Zhuque 2 successfully reached orbit on its second flight on 12 July 2023, becoming the first methane fueled rocket to do so. It had failed to reach orbit on its maiden flight on 14 December 2022. The rocket, developed by LandSpace, uses the TQ 12 engine. Vulcan Centaur successfully reached orbit on its first try, called Cert 1, on 8 January 2024. The rocket, developed by United Launch Alliance, uses the Blue Origin's BE 4 engine, though the second stage uses the hydrolox RL10. Terran 1 had a failed orbital launch attempt on its maiden flight on 22 March 2023. The rocket, developed by Relativity Space, uses the Aeon 1 engine. Starship achieved a transatmospheric orbit on its third flight on 14 March 2024, after two failed attempts. The rocket, developed by SpaceX, uses the Raptor engine. SpaceX developed the Raptor engine for its Starship super heavy lift launch vehicle. It has been used in test flights from 2019 to 2023. SpaceX had previously used only RP 1/LOX in their engines. Blue Origin developed the BE 4 LOX/LNG engine for their New Glenn and the United Launch Alliance Vulcan Centaur. The BE 4 will provide 2,400 kN (550,000 lbf) of thrust. Two flight engines had been delivered to ULA by mid 2023. In July 2014, Firefly Space Systems announced plans to use methane fuel for their small satellite launch vehicle, Firefly Alpha with an aerospike engine design. ESA is developing a 980kN methalox Prometheus rocket engine which was test fired in 2023.

Моноқозғалтқыштар

Жоғары сынақ пероксиді – сутек пероксидінің жоғары концентрацияланған түрі, құрамында шамамен 2%-дан 30%-ға дейін су бар. Ол катализатор арқылы өткенде бу мен оттегіге ыдырайды. Бұл, тарих бойында, оңай сақталуының арқасында реакцияны басқару жүйелерінде қолданылып келді. Көбінесе турбонасостарды іске қосу үшін пайдаланылады, мысалы, V2 зымыранында және қазіргі кездегі "Союз" зымыранында қолданылады. Гидразин азот, сутегі және аммиакқа (2N2H4 → N2+H2+2NH3) күшті ыдырайды және ғарыш аппараттарында ең көп қолданылатын отын. (Оксидталмаған аммиактың ыдырауы эндотермиялық болып, тиімділікті төмендетеді). Азот оксиді азот пен оттегіге ыдырайды. Сыртқы түрде қыздырылған бу, материалдың коррозиясына және жылулық шектеріне байланысты, шамамен 190 секундқа дейін қарапайым импульс (Isp) береді.

Кестені

+ I-ді басқа камералық қысымдарда шамамен анықтау үшін абсолюттік қысым (psi) 1.00 0.99 0.98 0.97 0.95 0.93 0.91 0.88 кестеде JANNAF термохимиялық кестелерінен (Joint Army Navy NASA Air Force (JANNAF) Interagency Propulsion Committee) алынған деректер пайдаланылады. Rocketdyne компаниясы адиабатикалық жану, изоэнтропиялық кеңею, бір өлшемді кеңею және тепе-теңдіктің ығысуы шарттарында ең жақсы нақты импульсті есептеді. Кейбір өлшем бірліктері метрикалық жүйеге ауыстырылды, бірақ қысым өлшемдері өзгертілген жоқ.