Тетраоксид азота: свойства, применение в ракетостроении и риски отравления

Введение

Динитроген тетроксид, обычно называемый тетроксидом азота (НТО), и иногда (особенно среди бывших советских/российских инженеров-ракетчиков) – амил, – это химическое соединение N2O4. Он является полезным реагентом в химическом синтезе. Он образует равновесную смесь с диоксидом азота. Его молярная масса составляет 92,011 г/моль. Динитроген тетроксид – мощный окислитель, который гиперголичен (вступает в спонтанную реакцию) при контакте с различными формами гидразина, что сделало эту пару распространенным двухкомпонентным ракетным топливом.

Используется в качестве ракетного топлива

Тетроксид азота используется в качестве окислителя в одной из важнейших ракетных двигательных систем, поскольку его можно хранить в жидком виде при комнатной температуре. Педро Паулет, перуанский ученый-эрудит, сообщил в 1927 году, что в 1890-х годах он экспериментировал с ракетным двигателем, в котором использовались пружинные форсунки, периодически подававшие испаренный тетроксид азота и нефтяной бензин к свече зажигания, при этом двигатель выдавал 300 пульсирующих взрывов в минуту. Паулет посетил немецкую ракетную ассоциацию Verein für Raumschiffahrt (VfR), и 15 марта 1928 года Валье похвалил конструкцию ракеты Паулета с жидкостным двигателем в публикации VfR Die Rakete, заявив, что двигатель обладает "поразительной мощностью". Вскоре нацистская Германия обратилась к Паулету с просьбой помочь в разработке ракетных технологий, однако он отказался сотрудничать и никогда не раскрывал формулу своего топлива. В начале 1944 года немецкие ученые провели исследования по использованию тетроксида диназота в качестве окислителя для ракетного топлива, хотя немцы использовали его лишь в ограниченном качестве в качестве добавки к S-Stoff (дымящей азотной кислоте). К концу 1950-х годов он стал предпочтительным хранящимся окислителем для многих ракет как в США, так и в СССР. Он является гиперголическим окислителем в сочетании с ракетным топливом на основе гидразина. Одним из первых применений этой комбинации стало использование в ракетах семейства Titan, первоначально как межконтинентальных баллистических ракет, а затем как носителей для многих космических аппаратов. Он использовался на американских космических кораблях Gemini и Apollo, а также на космических челноках и продолжает использоваться в качестве топлива для поддержания орбиты большинства геостационарных спутников и многих межпланетных зондов. Он также является основным окислителем для российской ракеты "Протон". При использовании в качестве ракетного топлива тетроксид диназота обычно называют просто тетроксидом азота, и аббревиатура NTO широко используется. Кроме того, NTO часто используется с добавлением небольшого процента оксида азота, который подавляет коррозионное растрескивание под напряжением титановых сплавов, и в такой форме ракетное NTO называется смешанными оксидами азота (MON). Большинство космических аппаратов теперь используют MON вместо NTO; например, система управления реакцией космического челнока использовала MON3 (NTO, содержащий 3% NO по весу).

Nitrogen tetroxide is used as an oxidizing agent in one of the most important rocket propellant systems because it can be stored as a liquid at room temperature. Pedro Paulet, a Peruvian polymath, reported in 1927 that he had experimented in the 1890s with a rocket engine that used spring loaded nozzles that periodically introduced vaporized nitrogen tetroxide and a petroleum benzine to a spark plug for ignition, with the engine putting out 300 pulsating explosions per minute. Paulet would go on to visit the German rocket association Verein für Raumschiffahrt (VfR) and on March 15, 1928, Valier applauded Paulet's liquid propelled rocket design in the VfR publication Die Rakete, saying the engine had "amazing power". Paulet would soon be approached by Nazi Germany to help develop rocket technology, though he refused to assist and never shared the formula for his propellant. In early 1944, research on the usability of dinitrogen tetroxide as an oxidizing agent for rocket fuel was conducted by German scientists, although the Germans only used it to a very limited extent as an additive for S Stoff (fuming nitric acid). It became the storable oxidizer of choice for many rockets in both the United States and USSR by the late 1950s. It is a hypergolic propellant in combination with a hydrazine based rocket fuel. One of the earliest uses of this combination was on the Titan family of rockets used originally as ICBMs and then as launch vehicles for many spacecraft. Used on the U. S. Gemini and Apollo spacecraft and also on the Space Shuttle, it continues to be used as station keeping propellant on most geo stationary satellites, and many deep space probes. It is also the primary oxidizer for Russia's Proton rocket. When used as a propellant, dinitrogen tetroxide is usually referred to simply as nitrogen tetroxide and the abbreviation NTO is extensively used. Additionally, NTO is often used with the addition of a small percentage of nitric oxide, which inhibits stress corrosion cracking of titanium alloys, and in this form, propellant grade NTO is referred to as mixed oxides of nitrogen (MON). Most spacecraft now use MON instead of NTO; for example, the Space Shuttle reaction control system used MON3 (NTO containing 3% NO by weight).

Несчастный случай с "Аполлоном-Союз"

24 июля 1975 года отравлением NTO пострадали три американских астронавта во время финального спуска на Землю после полёта по программе «Аполлон-Союз». Это произошло из-за случайно оставленного в неправильном положении переключателя, который привел к включению двигателей ориентации после открытия воздухозаборника для подачи свежего воздуха в кабину, что позволило парам NTO проникнуть внутрь. Один из членов экипажа потерял сознание во время спуска. После посадки экипаж был госпитализирован на пять дней с химической пневмонией и отёками.

Производство электроэнергии с использованием N2O4

Тенденция N2O4 обратимо разлагаться на NO2 привела к исследованиям его использования в передовых системах генерации энергии в качестве так называемого диссоциирующего газа. "Холодный" тетраоксид азота сжимается и нагревается, что вызывает его диссоциацию на диоксид азота с молекулярной массой вдвое меньше. Этот горячий диоксид азота расширяется в турбине, охлаждаясь и снижая давление, а затем дополнительно охлаждается в радиаторе, что приводит к его рекомбинации в тетраоксид азота с исходной молекулярной массой. После этого его гораздо легче сжать для повторного начала цикла. Такие диссоциирующие газовые циклы Брайтона обладают потенциалом значительно повысить эффективность оборудования для преобразования энергии. Высокая молекулярная масса и меньший объемный коэффициент расширения диоксида азота по сравнению с паром позволяют создавать более компактные турбины. N2O4 был основным компонентом рабочей жидкости "нитрин" в снятом с эксплуатации переносном ядерном реакторе "Памир 630D", который работал с 1985 по 1987 год.