Введение

Ракета, использующая одно топливо с катализатором.
Монотопливная ракета (или "монохимическая ракета") – это ракета, использующая одно химическое вещество в качестве топлива. Монотопливные ракеты обычно используются для малой коррекции ориентации и траектории в спутниках, верхних ступенях ракет, пилотируемых космических аппаратах и космических самолетах.

Ракеты на основе химической реакции с монотопливом

Простейшие монотопливные ракеты основаны на химическом разложении хранимого топлива после его прохождения через катализатор. Мощность двигателя обеспечивается высоким давлением газа, образующегося в ходе реакции разложения, которое позволяет ракетному соплу ускорять газ для создания тяги. Наиболее часто используемым монопропеллентом является гидразин (N2H4, или H2N\sNH2) – соединение, нестабильное в присутствии катализатора и являющееся при этом сильным восстановителем. Наиболее распространенным катализатором служит гранулированная алюмина (оксид алюминия, Al2O3), покрытая иридием. Эти гранулы обычно продаются под коммерческими названиями Aerojet S 405 (ранее производился компанией Shell) или W. C. Heraeus H KC 12 GA (ранее производился компанией Kali Chemie). Для гидразина не требуется система зажигания. Aerojet S 405 – это спонтанный катализатор, то есть гидразин разлагается при контакте с ним. Разложение протекает с высокой экзотермичностью и производит газ при температуре 1000 °C (1832 °F), представляющий собой смесь азота, водорода и аммиака. Основным ограничивающим фактором для монотопливной ракеты является срок ее службы, который в основном определяется ресурсом катализатора. Катализатор может подвергаться каталитическому отравлению и абразивному износу, что приводит к его выходу из строя. Другим монопропеллентом является перекись водорода, которая при очистке до концентрации 90% и выше саморазлагается при высоких температурах или в присутствии катализатора. Большинство ракетных систем с химическим монопропеллентом состоят из топливного бака, обычно сферической формы из титана или алюминия, с контейнером из этиленпропиленовой резины или устройством управления запасом топлива на основе поверхностного натяжения, заполненным топливом. Затем в бак подается гелий или азот, который вытесняет топливо к двигателям. От бака к запорному клапану, а затем к камере разложения ракетного двигателя, ведет трубопровод. Как правило, спутник оснащается не одним, а двумя-двенадцатью двигателями, каждый со своим собственным клапаном. Двигатели управления ориентацией спутников и космических аппаратов часто имеют очень небольшие размеры – около в диаметре – и монтируются группами, направленными в четырех направлениях (в одной плоскости). Запуск ракеты происходит, когда компьютер подает постоянный ток на небольшой электромагнит, который открывает запорный клапан. Запуск обычно очень кратковременный – всего несколько миллисекунд – и при работе в воздухе звучит как брошенный камешек в металлическую мусорную корзину; при более длительной работе издает пронзительный свист. Химические монопропелленты не так эффективны, как некоторые другие технологии двигательных установок. Инженеры выбирают системы с монопропеллентом, когда необходимость в простоте и надежности превосходит потребность в высокой импульсной характеристике. Если двигательной системе требуется создавать большое усилие тяги или иметь высокий удельный импульс, например, на основном двигателе межпланетного космического аппарата, используются другие технологии.

Моноприводы на солнечно-термической основе

Концепция создания топливных складов на низкой околоземной орбите (LEO), которые могли бы служить перевалочными пунктами для других космических аппаратов, останавливающихся для дозаправки по пути к миссиям за пределами LEO, предполагает, что отработанный газообразный водород – неизбежный побочный продукт длительного хранения жидкого водорода в условиях радиационного теплообмена в космосе – может быть использован в качестве монодвигателя в системе солнечной тепловой двигательной установки. Отработанный водород будет эффективно использоваться как для поддержания орбиты и ориентации, так и для обеспечения ограниченного запаса топлива и тяги для выполнения орбитальных маневров с целью более точного сближения с другими космическими аппаратами, прибывающими для дозаправки. Солнечные тепловые монодвигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенной ракеты верхней ступени нового поколения, предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задуман как более дешевая, производительная и гибкая верхняя ступень, которая будет дополнять, а возможно и заменять существующие верхние ступени ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). Опция "Интегрированные бортовые жидкости ACES" исключает весь гидразин и гелий из космического аппарата – обычно используемые для управления ориентацией и поддержания орбиты – и вместо этого полагается на солнечные тепловые монодвигатели, использующие отработанный водород.

История

Советские конструкторы начали экспериментировать с ракетами на монопропелленте еще в 1933 году. Гельмут Вальтер был немецким инженером – одним из пионеров в разработке ракет на монопропелленте, использующих перекись водорода в качестве топлива. Хотя его первоначальные работы были связаны с подводными двигателями, те же потоки кислорода, производимые для сгорания в газовых турбинах, можно было направлять через сопло для создания тяги. Однако простота двигателей, созданных на основе ранних монопропеллентов, предлагала множество преимуществ и впервые была испытана в 1959 году в ходе миссии Able 4, а также при выводе на орбиту спутника Telstar, который Национальный музей авиации и космонавтики считает наиболее важным коммуникационным спутником в начале космической гонки. В 1964 году NASA начало использовать лунный посадочный исследовательский аппарат для подготовки астронавтов программы "Аполлон" к пилотированию лунного модуля (LEM), используя систему управления ориентацией, состоящую из 16 двигателей на монопропелленте, работающих на перекиси водорода, для управления LEM при посадке на лунную поверхность. На верхних ступенях ракет начали использовать двигатели на монопропелленте в качестве удобного средства управления в начале 1960-х годов, когда компания General Dynamics предложила верхнюю ступень Centaur ВВС США, модификации которой до сих пор используются в ракетах Atlas и Vulcan компании United Launch Alliance.

Новые события

НАСА разрабатывает новую систему двигательной установки с монопропеллентом для небольших, экономичных космических аппаратов с требованиями к изменению скорости (дельта-v) в диапазоне 10–150 м/с. Эта система основана на смеси монопропеллента, состоящей из гидроксиламонийного нитрата (HAN), воды и топлива, которая отличается высокой плотностью, экологической безопасностью и обещает хорошую производительность и простоту. Компания EURENCO Bofors произвела LMP 103S как полноценную замену гидразину, растворив 65% динитрамида аммония NH4N(NO2)2 в 35% водном растворе метанола и аммиака. LMP 103S обладает на 6% более высоким удельным импульсом и на 30% более высокой плотностью импульса по сравнению с гидразином. Кроме того, гидразин обладает высокой токсичностью и канцерогенностью, в то время как LMP 103S лишь умеренно токсичен. LMP 103S относится к классу опасности ООН 1.4S, что допускает его транспортировку на коммерческих самолетах, и его эффективность была продемонстрирована на спутнике Prisma в 2010 году. Специальные меры обращения не требуются. LMP 103S может заменить гидразин как наиболее распространенный монопропеллент.