Жидкие ракетные топлива: история и применение

Введение

Жидкое ракетное топливо

Химические ракеты с самым высоким удельным импульсом используют жидкое топливо (жидкостные ракеты). Оно может состоять из одного химического вещества (монопропеллента) или смеси двух химических веществ, называемых бипропеллентами. Бипропелленты, в свою очередь, делятся на две категории: гиперголические, которые воспламеняются при контакте топлива и окислителя, и негиперголические, которым требуется источник зажигания. Было испытано около 170 различных пропеллентов на жидком топливе, не считая незначительных изменений в конкретном пропелленте, таких как добавки к топливу, ингибиторы коррозии или стабилизаторы. Только в США было использовано как минимум 25 различных комбинаций пропеллентов. При выборе пропеллента для жидкостного ракетного двигателя учитывается множество факторов. Основные из них включают простоту эксплуатации, стоимость, безопасность/воздействие на окружающую среду и характеристики.

Развитие в начале 20-го века

Константин Циолковский предложил использовать жидкие ракетные двигатели в 1903 году в своей статье «Исследование космического пространства с помощью ракетных устройств». 16 марта 1926 года Роберт Годдард использовал жидкий кислород (LOX) и бензин в качестве ракетного топлива для своего первого частично успешного запуска ракеты на жидком топливе. Оба топлива легко доступны, дешевы и обладают высокой энергетической ценностью. Кислород является умеренным криогенным веществом, так как воздух не сжижается при контакте с резервуаром жидкого кислорода, что позволяет кратковременно хранить LOX в ракете без чрезмерной теплоизоляции. В Германии инженеры и ученые увлеклись жидкостными ракетными двигателями, создавая и испытывая ракеты в конце 1920-х годов в Opel RAK в Рюссельсхайме. Согласно отчету Макса Валье, конструктор ракет Opel RAK Фридрих Вильгельм Зандер запустил две ракеты на жидком топливе на трассе Opel Rennbahn в Рюссельсхайме 10 и 12 апреля 1929 года. Эти ракеты Opel RAK стали первыми европейскими и, после ракет Годдарда, вторыми ракетами на жидком топливе в истории.

Эпоха Второй мировой войны

Германия активно разрабатывала ракеты до и во время Второй мировой войны, как стратегическую ракету V-2, так и другие типы ракет. В ракете V-2 использовался жидкостный ракетный двигатель, работающий на спирте и жидком кислороде (LOX), с перекисью водорода для привода топливных насосов. Спирт смешивали с водой для охлаждения двигателя. И Германия, и Соединенные Штаты разработали многоразовые жидкостные ракетные двигатели, использующие хранимый жидкий окислитель с гораздо большей плотностью, чем LOX, и жидкое топливо, которое самовоспламенялось при контакте с этим окислителем. Основной производитель немецких ракетных двигателей для военных нужд, фирма HWK, выпускала серию ракетных двигателей RLM 109 500 и использовала перекись водорода как монопропеллент для обеспечения вспомогательного взлета ракетными двигателями Starthilfe, или как источник тяги для управляемых авиационных морских планирующих бомб MCLOS. Также она применялась в двухкомпонентной схеме с тем же окислителем и топливной смесью из гидразингидрата и метилового спирта для ракетных двигателей, предназначенных для оснащения пилотируемых боевых самолетов. В американских конструкциях двигателей использовалась двухкомпонентная смесь азотной кислоты в качестве окислителя и анилина в качестве топлива. Оба типа двигателей применялись для привода самолетов: немецкие двигатели серии Walter 509 – на перехватчике Me 163 Komet, а также в устройствах РУС (RATO) обеих стран (например, система Starthilfe для Люфтваффе) для помощи во взлете самолетов, что являлось основной целью американской технологии жидкостных ракетных двигателей, значительная часть идей для которой принадлежала офицеру ВМС США Роберту Труаксу.

1950-е и 1960-е годы

В 1950-х и 1960-х годах химики-разработчики ракетных топлив активно искали высокоэнергетические жидкие и твердые топлива, лучше подходящие для военных нужд. Крупные стратегические ракеты должны были находиться в наземных или подводных шахтах в течение многих лет, готовые к запуску в любой момент. Топлива, требующие непрерывного охлаждения, из-за чего на ракетах образовывались все более толстые слои льда, были непрактичны. Поскольку военные были готовы работать с опасными материалами, было синтезировано большое количество опасных химических веществ, большая часть которых оказалась непригодной для использования в боевых системах. В случае азотной кислоты, сама кислота была нестабильной и разъедала большинство металлов, что затрудняло ее хранение. Добавление небольшого количества тетроксида азота придавало смеси красный цвет и предотвращало изменение ее состава, но сохранялась проблема коррозии контейнеров азотной кислотой, что приводило к выделению газов и повышению давления. Прорывом стало добавление небольшого количества фтористого водорода (HF), который формировал самовосстанавливающийся металлический фторид на внутренней поверхности стенок баков, ингибируя краснодымящую азотную кислоту. Это позволило хранить "IRFNA". Затем в Соединенных Штатах и Советском Союзе были приняты комбинации топлив на основе IRFNA или чистого в качестве окислителя и керосина или гиперголических (самовоспламеняющихся) анилина, гидразина или несимметричного диметилгидразина (UDMH) в качестве топлива для использования в стратегических и тактических ракетах. Самовоспламеняющиеся, хранимые жидкие бикомпонентные топлива имели несколько меньший удельный импульс, чем LOX/керосин, но обладали большей плотностью, что позволяло разместить большую массу топлива в баках того же размера. Бензин был заменен различными углеводородными видами топлива, общий объем которых в 1998 году составил 500 миллиардов кубических метров. При высоких температурах (700–1100 °C) и в присутствии металлического катализатора (никеля) водяной пар реагирует с метаном с образованием монооксида углерода и водорода. Водород по сравнению с другими видами топлива имеет большую объемность; обычно он хранится в виде криогенной жидкости, технология освоения которой началась в начале 1950-х годов в рамках программы разработки водородной бомбы в Лос-Аламосе. Жидкий водород можно хранить и транспортировать без потерь на испарение, используя гелий в качестве охлаждающего хладагента, поскольку температура кипения гелия еще ниже, чем у водорода. Потери водорода из-за выброса в атмосферу происходят только после его загрузки на ракету-носитель, где отсутствует охлаждение. В конце 1950-х и начале 1960-х годов он был принят для водородных ступеней, таких как верхние ступени "Центавр" и "Сатурн". Водород даже в жидком состоянии имеет низкую плотность, что требует больших баков и насосов; поддержание необходимой экстремальной температуры требует теплоизоляции баков. Этот дополнительный вес снижает массовую долю ступени или требует принятия специальных мер, таких как стабилизация давления в баках для снижения веса. (Баллоны с стабилизацией давления выдерживают большую часть нагрузки за счет внутреннего давления, а не за счет прочных конструкций, используя в основном прочность материала бака на растяжение.) Советская ракетная программа, отчасти из-за недостатка технических возможностей, не использовала жидкий водород в качестве топлива до создания разгонного блока "Энергия" в 1980-х годах.

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.

Использование верхней ступени

Жидкий ракетный двигатель, работающий на жидком кислороде и водороде, обеспечивает наивысший удельный импульс среди традиционных ракетных двигателей. Эта дополнительная эффективность в значительной степени компенсирует недостаток низкой плотности, требующей больших топливных баков. Однако даже небольшое увеличение удельного импульса на верхней ступени ракеты может существенно повысить массу полезной нагрузки, выводимой на орбиту.

Литий и фтор

Наивысший удельный импульс, достигнутый при испытаниях ракетного двигателя на химическом топливе, был получен при использовании лития и фтора с добавлением водорода для улучшения термодинамики выхлопных газов (все компоненты топлива должны были храниться в отдельных баках, что делало эту систему трехкомпонентной). Эта комбинация обеспечила удельный импульс 542 секунды в вакууме, что эквивалентно скорости истечения газов 5320 м/с. Непрактичность этой комбинации демонстрирует, почему экзотические топлива не применяются на практике: для поддержания всех трех компонентов в жидком состоянии водород необходимо охлаждать ниже –252 °C (всего 21 K), а литий – поддерживать выше 180 °C (453 K). Литий и фтор – чрезвычайно коррозионные вещества. Литий воспламеняется при контакте с воздухом, а фтор воспламеняет большинство видов топлива при контакте, включая водород. Фтор и фтороводород (HF) в выхлопных газах очень токсичны, что затрудняет работу в районе стартовой площадки, наносит вред окружающей среде и усложняет получение лицензии на запуск. Литий и фтор также значительно дороже большинства ракетных топлив. Поэтому эта комбинация никогда не использовалась в полете. В 1950-х годах Министерство обороны США рассматривало литий/фтор в качестве топлива для баллистических ракет. Однако авария на химическом заводе в 1954 году, в результате которой в атмосферу было выброшено облако фтора, убедила их перейти на использование LOX/RP-1.

Метан

Жидкий метан имеет более низкий удельный импульс, чем жидкий водород, но его легче хранить благодаря более высокой температуре кипения и плотности, а также отсутствию водородного охрупчивания. Кроме того, в двигателях остаётся меньше нагара, чем при использовании керосина, что положительно влияет на возможность повторного использования. Ожидается также, что его производство на Марсе будет возможно посредством реакции Сабатье. В документах NASA Mars Design Reference Mission 5.0 (между 2009 и 2012 годами) жидкий метан/LOX (металлокс) был выбран в качестве топлива для посадочного модуля. Благодаря преимуществам метанового топлива, некоторые частные компании, занимающиеся космическими запусками, стремились разработать системы запуска на основе метана в 2010-х и 2020-х годах. Соревнование между странами получило название «Металокс-гонка на орбиту», и ракета Zhuque 2 от LandSpace стала первой, достигшей орбиты. По состоянию на 2024 год две ракеты на метановом топливе вышли на орбиту. Несколько других находятся в разработке, а две попытки запуска на орбиту завершились неудачей: Zhuque 2 успешно вышла на орбиту со второй попытки 12 июля 2023 года, став первой ракетой на метановом топливе, достигшей этой цели. Первая попытка запуска 14 декабря 2022 года оказалась неудачной. Ракета, разработанная LandSpace, использует двигатель TQ 12. Vulcan Centaur успешно вышла на орбиту с первой попытки (Cert 1) 8 января 2024 года. Ракета, разработанная United Launch Alliance, использует двигатель BE 4 от Blue Origin, хотя вторая ступень использует гидролокс RL10. Terran 1 потерпела неудачу при первой попытке выхода на орбиту 22 марта 2023 года. Ракета, разработанная Relativity Space, использует двигатель Aeon 1. Starship достигла трансатмосферной орбиты с третьей попытки 14 марта 2024 года, после двух неудачных попыток. Ракета, разработанная SpaceX, использует двигатель Raptor. SpaceX разработала двигатель Raptor для своей сверхтяжёлой ракеты-носителя Starship. Он использовался в тестовых полётах с 2019 по 2023 год. Ранее SpaceX использовала только RP-1/LOX в своих двигателях. Blue Origin разработала двигатель BE 4 LOX/LNG для своих New Glenn и Vulcan Centaur от United Launch Alliance. BE 4 обеспечит тягу 2400 кН (550 000 фунтов силы). К середине 2023 года ULA получила два лётных двигателя. В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о планах использовать метановое топливо для своей небольшой ракеты-носителя для спутников Firefly Alpha с двигателем аэроспик. ESA разрабатывает 980 кН металоксидный ракетный двигатель Prometheus, который был испытан в 2023 году.

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.

Монодвигатели

Высококонцентрированный пероксид водорода – это концентрированный перекись водорода, содержащий от 2% до 30% воды. Он разлагается на пар и кислород при прохождении через катализатор. Исторически он использовался в системах управления реакцией из-за простоты хранения. Он часто применяется для привода турбонасосов, например, на ракете V-2 и современных кораблях "Союз". Гидразин энергично разлагается на азот, водород и аммиак (2N2H4 → N2+H2+2NH3) и является наиболее распространенным топливом в космических аппаратах. (Неокисленное разложение аммиака является эндотермическим и снижает эффективность). Оксид азота разлагается на азот и кислород. Пар, нагреваемый внешним источником, обеспечивает умеренный удельный импульс до 190 секунд, в зависимости от коррозии материала и тепловых ограничений.

Таблица

+ Для приближенного вычисления I при других давлениях в камере Абсолютное давление (psi) Умножьте на 1,00 0,99 0,98 0,97 0,95 0,93 0,91 0,88

В таблице используются данные из термохимических таблиц JANNAF (Joint Army Navy NASA Air Force (JANNAF) Межведомственного комитета по двигателестроению), а наилучший возможный удельный импульс рассчитан компанией Rocketdyne при допущениях об адиабатическом сгорании, изэнтропическом расширении, одномерном расширении и смещении равновесия. Некоторые единицы измерения были преобразованы в метрические, но значения давления оставлены без изменений.