Гиперголические ракетные топлива: история и применение

Введение

Тип ракетного топлива

Гиперголическим топливом называется комбинация ракетных компонентов, используемая в ракетном двигателе, компоненты которой самовоспламеняются при контакте друг с другом. Обычно эта комбинация состоит из горючего и окислителя. Основными преимуществами гиперголических топлив являются возможность хранения в жидком виде при комнатной температуре, а также простота и надежность многократного запуска двигателей, работающих на них. Распространенные гиперголические топлива сложны в обращении из-за их высокой токсичности или коррозионной активности. В современном использовании термины "гиперголь" и "гиперголический компонент" обычно подразумевают наиболее распространенную комбинацию: тетраоксид диазота и гидразин.

История

В 1935 году Хеллмут Вальтер обнаружил, что гидразин гидрат был гиперголическим с высокопроцентным пероксидом водорода (80–83%). Вероятно, он был первым, кто обнаружил это явление, и приступил к разработке топлива. Профессор Отто Лутц помогал компании Вальтера в разработке C-Stoff, содержащего 30% гидразингидрата, 57% метанола и 13% воды, который самовоспламенялся при контакте с высококонцентрированной перекисью водорода. Гиперголические топлива были открыты независимо, во второй раз, в США исследователями GALCIT и военно-морской академии в Аннаполисе в 1940 году. Они разработали двигатели, работающие на анилине и красном дымящемся азоте (RFNA). Роберт Годдард, Reaction Motors и Curtiss Wright работали над двигателями на анилине/азотной кислоте в начале 1940-х годов для небольших ракет и ускорителей взлёта (JATO). Проект привел к успешному взлёту нескольких бомбардировщиков Martin PBM и PBY, но был нежелателен из-за токсичности как топлива, так и окислителя, а также высокой температуры замерзания анилина. Вторая проблема была решена путем добавления небольшого количества фурфурилового спирта к анилину. Монерголы были монопропеллентами, негиперголы – бипропеллентами, требующими внешнего зажигания, а литерголы – гибридами твердого и жидкого топлива. Гиперголические топлива (или, по крайней мере, гиперголическое зажигание) были гораздо менее подвержены неконтролируемому запуску, чем электрическое или пиротехническое зажигание. Термин "гипергол" был введен доктором Вольфгангом Нёггератом из Технического университета Брауншвейга (Германия). Единственным развернутым ракетным истребителем был Messerschmitt Me 163B Komet. Komet был оснащен HWK 109-509, ракетным двигателем, потреблявшим метанол/гидразин в качестве топлива и высокопроцентный пероксид T-Stoff в качестве окислителя. Гиперголический ракетный двигатель обладал преимуществом быстрого набора высоты и тактики быстрого поражения, но был очень нестабильным и мог взорваться при малейшей небрежности. Другие предлагаемые боевые ракетные истребители, такие как Heinkel Julia, и разведывательные самолеты, такие как DFS 228, должны были использовать ракетные двигатели серии Walter 509, но, помимо Me 163, только вертикальный истребитель Bachem Ba 349 Natter был испытан в полете с ракетным двигателем Walter в качестве основной тяговой системы для военных самолетов. Самые ранние баллистические ракеты, такие как советская Р-7, запустившая Спутник-1, и американские Atlas и Titan I, использовали керосин и жидкий кислород. Хотя они предпочтительны для космических ракет-носителей, трудности хранения криогенной жидкости, такой как жидкий кислород, в ракете, которая должна быть готова к запуску в течение месяцев или лет, привели к переходу на гиперголические топлива в американском Titan II и в большинстве советских МБР, таких как Р-36. Однако трудности, связанные с использованием таких коррозионных и токсичных материалов, включая утечки, вызывающие травмы, и взрыв Titan II в шахте, привели к их почти полной замене твердотопливными ускорителями, сначала в американских подводных лодках, запускающих баллистические ракеты, а затем в наземных американских и советских МБР. Наиболее распространенные гиперголические топлива – гидразин, монометилгидразин и несимметричный диметилгидразин, а также окислитель – тетраоксид азота – являются жидкими при обычных температурах и давлениях. Поэтому их иногда называют хранимыми жидкими топливами. Они подходят для использования в космических миссиях, рассчитанных на многие годы. Криогенность жидкого водорода и жидкого кислорода до сих пор ограничивает их практическое применение космическими ракетами-носителями, где их необходимо хранить лишь короткое время. Поскольку основной проблемой использования криогенных топлив в межпланетном пространстве является испарение, которое в значительной степени зависит от масштаба космического корабля, для более крупных аппаратов, таких как Starship, это менее актуально. Еще одним преимуществом гиперголических топлив является их высокая плотность по сравнению с криогенными топливами. Плотность LOX составляет 1,14 г/мл, в то время как гиперголические окислители, такие как азотная кислота или тетраоксид азота, имеют плотность 1,55 г/мл и 1,45 г/мл соответственно. Топливо LH2 обеспечивает чрезвычайно высокую производительность, но его плотность оправдывает его использование только в самых крупных ступенях ракеты, в то время как смеси гидразина и UDMH имеют плотность как минимум в десять раз выше. Это очень важно для космических зондов, поскольку более высокая плотность топлива позволяет значительно уменьшить размер топливного бака, что, в свою очередь, позволяет зонду поместиться в обтекатель меньшего размера.

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.

Недостатки

Относительно своей массы, традиционные гиперголические топлива имеют более низкую теплотворную способность, чем криогенные топливные смеси, такие как LH2 / LOX или LCH4 / LOX. Следовательно, ракете-носителю, использующей гиперголические топлива, требуется больший запас топлива, чем ракете-носителю, использующей эти криогенные топлива. Коррозионная активность, токсичность и канцерогенность традиционных гиперголиков обуславливают необходимость принятия дорогостоящих мер безопасности. Несоблюдение надлежащих мер предосторожности при работе с особо опасной смесью азотной кислоты и UDMH, известной как "Дьявольский яд", привело к самой смертоносной ракетной катастрофе в истории – катастрофе Неделина.

Предлагается, оставаться нелетающим

Трифторид хлора (ClF3) + все известные виды топлива – Кратковременно рассматривался в качестве окислителя из-за его высокой гиперголичности со всеми стандартными видами топлива, но в 70-х годах от него отказались из-за сложности безопасного обращения с этим веществом. Трифторид хлора способен воспламенять бетон и гравий. Пентафторид хлора (ClF5) представляет те же риски, но обладает более высоким удельным импульсом, чем ClF3. Пентаборан(9) и диборан + тетроксид азота – Пентаборан(9), так называемое «Zip-топливо», изучался советским ракетным конструктором В. П. Глушко для использования в сочетании с тетроксидом азота в ракетном двигателе РД-270М. Эта комбинация компонентов обеспечила бы значительное увеличение характеристик, но от неё отказались из-за опасений по поводу токсичности. Тетраметилэтилендиамин + IRFNA – Менее токсичная альтернатива гидразину и его производным.

Связанные технологии

Пирофорные вещества, которые самовоспламеняются при контакте с воздухом, также иногда используются в качестве ракетного топлива или для воспламенения других топлив. Например, смесь триэтилбора и триэтилалюминия (оба вещества являются пирофорными как по отдельности, так и, тем более, вместе) использовалась для запуска двигателей самолета SR-71 Blackbird и двигателей F-1 на ракете Saturn V, и применяется в двигателях Merlin на ракетах SpaceX Falcon 9.