- إنضم
- 22 مارس 2015
- المشاركات
- 4,669
- مستوى التفاعل
- 14,885
- النقاط
- 113
أنواع الوقود الصاروخي العسكري
خلفية تاريخية
يحتوي وقود الصواريخ على وقود وعامل مؤكسد ، وعلى عكس وقود الطائرات ، لا يحتاج إلى مكون خارجي: الهواء أو الماء. يتم تقسيم الوقود الصاروخي في حالة التجميع إلى سائل ، صلب ومهجين. ينقسم الوقود السائل إلى تبريد (مع درجة غليان لمكونات تقل عن الصفر درجة مئوية) وغليان عالي (الباقي). يتكون الوقود الصلب من مركب كيميائي أو محلول صلب أو خليط من المكونات البلاستيكية. يتكون الوقود الهجين من مكونات في حالة تجميع مختلفة ؛ في هذه اللحظة هم في مرحلة البحث.
تاريخيا ، كان أول صاروخ وقود هو مسحوق الدخان ، الذي يتكون من خليط من النترات (عامل مؤكسد) ، الفحم (الوقود) والكبريت (الموثق) ، الذي استخدم لأول مرة في الصواريخ الصينية في القرن الثاني الميلادي من الذخيرة مع محرك صاروخي يعمل بالوقود الصلب (RDTT) تم استخدامه في الجيش كجهاز حارق وإشارة.
بعد اختراع البارود الذي لا يدخن في نهاية القرن التاسع عشر على أساسه ، تم تطوير وقود باليستي أحادي المكون ، يتكون من محلول صلب من النيتروسليلوز (الوقود) في النتروجليسرين (عامل مؤكسد). يحتوي الوقود الباليستي على طاقة متعددة مقارنة بالبودرة السوداء ، ويحتوي على قوة ميكانيكية عالية ، ويتشكل بشكل جيد ، والاستقرار الكيميائي على المدى الطويل أثناء التخزين ، وتكلفة منخفضة. حددت هذه الصفات سلفًا الاستخدام الواسع النطاق للوقود الباليستي في الذخائر الأكثر شيوعًا والمجهزة بصواريخ صاروخية تعمل بالوقود الصلب - الصواريخ والقنابل اليدوية.
إن تطوير تخصصات علمية مثل ديناميات الغاز ، وفيزياء الاحتراق ، وكيمياء المركبات عالية الطاقة في النصف الأول من القرن العشرين مكنت من توسيع تكوين وقود الصواريخ من خلال استخدام المكونات السائلة. أول محرك صواريخ عسكري يعمل بالوقود السائل من نوع Fau-2 يستخدم عامل مؤكسد مبرد - الأكسجين السائل والوقود المغلي العالي - كحول الإيثيل.
بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتسب السلاح الصاروخي الأولوية في التطوير مقارنة بأنواع الأسلحة الأخرى بسبب قدرته على إيصال الشحنات النووية إلى الهدف في أي مسافة - من عدة كيلومترات (أنظمة رد الفعل) إلى المدى العابر للقارات (الصواريخ الباليستية). بالإضافة إلى ذلك ، أدت الأسلحة الصاروخية إلى نزوح المدفعية بشكل كبير في مجالات الطيران والدفاع الجوي والقوات البرية والبحرية بسبب نقص قوة الارتداد عند إطلاق الذخيرة بمحركات الصواريخ.
في نفس الوقت الذي يتم فيه تطوير الوقود الصاروخي والسائل الذي يعمل بالوقود السائل ، تم تطوير أنواع الوقود الصلب المختلط متعدد المكونات باعتبارها الأنسب للاستخدام العسكري نظرًا لنطاق درجة حرارة التشغيل الواسع ، والقضاء على خطر انسكاب المكونات ، وانخفاض تكلفة محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسبب عدم وجود خطوط أنابيب وصمامات ومضخات ، جر أكثر لكل وحدة وزن.
الخصائص الرئيسية للوقود الصواريخ
بالإضافة إلى حالة تجميع مكوناتها ، يتميز الوقود الصاروخي بالمؤشرات التالية:
- الدافع المحدد للتوجه ؛
- الاستقرار الحراري ؛
- الاستقرار الكيميائي؛
- السمية البيولوجية ؛
- الكثافة ؛
- الدخان.
يعتمد الدافع المحدد لوقود الصواريخ على الضغط ودرجة الحرارة في غرفة الاحتراق للمحرك ، وكذلك التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد الدافع المحدد على درجة تمدد فوهة المحرك ، لكن هذا ينطبق أكثر على البيئة الخارجية لتكنولوجيا الصواريخ (الجو أو الفضاء الخارجي).
يتم ضمان زيادة الضغط عن طريق استخدام المواد الإنشائية ذات القوة العالية (سبائك الصلب لمحركات الصواريخ والبلاستيك العضوي لمحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب). في هذا الجانب ، تكون محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل متقدمة على محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسبب انضغاط نظام الدفع الخاص بها مقارنة بمكان محرك الوقود الصلب ، والذي يمثل غرفة احتراق كبيرة.
يتم تحقيق درجة حرارة عالية لمنتجات الاحتراق عن طريق إضافة معدن الألمنيوم إلى وقود صلب أو مركب كيميائي - هيدريد الألومنيوم. لا يمكن للوقود السائل استخدام هذه المواد المضافة إلا إذا تم تثبيته باستخدام إضافات خاصة. يتم ضمان الحماية الحرارية لمحرك الصاروخ من خلال تبريد الوقود ، ويتم تحقيق الحماية الحرارية لمحرك صاروخ الدفع الصلب من خلال ربط كتلة الوقود بحزم مع جدران المحرك واستخدام البطانات المركبة من الكربون والكربون القابلة للحرق في الفوهة الحرجة. الجزء.
يؤثر التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق / تحلل الوقود على معدل التدفق وحالة التجميع عند مخرج الفوهة. كلما قل وزن الجزيئات ، زاد معدل التدفق: أكثر منتجات الاحتراق المفضلة هي جزيئات الماء ، يليها النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والكلور وأكسيدات الهالوجين الأخرى ؛ الأقل تفضيلاً هو أكسيد الألومنيوم ، الذي يتكثف في فوهة المحرك إلى حالة صلبة ، مما يقلل من حجم الغازات المتسعة. بالإضافة إلى ذلك ، يفرض جزء أكسيد الألومنيوم استخدام فوهات مخروطية الشكل بسبب التآكل الكشط لفوهات Laval الأكثر فعالية مع سطح مكافئ.
بالنسبة للوقود الصاروخي العسكري ، فإن استقراره الحراري له أهمية خاصة نظرًا لنطاق درجة الحرارة الواسع لتشغيل تكنولوجيا الصواريخ. لذلك ، لم يتم استخدام أنواع الوقود السائل المبردة (الأكسجين + الكيروسين والأكسجين + الهيدروجين) إلا في المرحلة الأولى من تطوير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات (P-7 و Titan) ، بالإضافة إلى قاذفات إطلاق الصواريخ الفضائية (Space Shuttle and Energy) المصممة لإطلاق الأقمار الصناعية والأسلحة الفضائية في مدار قريب من الأرض.
يستخدم القطاع العسكري حاليًا الوقود السائل عالي الغليان على أساس رباعي أكسيد النيتروجين (AT ، عامل مؤكسد) وثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل (UDMH ، وقود). يتم تحديد الثبات الحراري لزوج الوقود هذا من خلال نقطة غليان AT (+ 21 درجة مئوية) ، مما يحد من استخدام هذا الوقود بواسطة الصواريخ الموجودة في ظروف حرارية لصوامع صواريخ من قذائف صاروخية من طراز ICBMs و SLBMs. بسبب عدوانية المكونات ، تمتلك دولة واحدة فقط في العالم التكنولوجيا الخاصة بإنتاج وتشغيل الدبابات الصاروخية - اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية / RF (Voevoda و Sarmat ICBMs و Sineva و Liner SLBMs). كاستثناء ، يتم استخدام AT + UDMH كوقود لصاروخ كروز X-22 Storm ، ولكن بسبب مشاكل في التشغيل الأرضي ، من المقرر استبدال X-22 والجيل التالي X-32 بصواريخ كروز Zircon باستخدام محرك نفاث باستخدام الكيروسين كوقود.
يتم تحديد الثبات الحراري للوقود الصلب بشكل أساسي من خلال الخاصية المطابقة للمذيب ورابط البوليمر. في تكوين الوقود الباليستي ، يكون المذيب هو النتروجليسرين ، الذي يحتوي في محلول صلب مع النيتروسليلوز على نطاق درجة حرارة التشغيل من ناقص إلى 50 درجة مئوية. في أنواع الوقود المختلط ، يتم استخدام مختلف أنواع المطاط الاصطناعي التي لها نفس نطاق درجة حرارة التشغيل كبوليمر الموثق. ومع ذلك ، فإن الثبات الحراري للمكونات الرئيسية للوقود الصلب (دينيتراميد الأمونيوم + 97 درجة مئوية ، هيدريد الألومنيوم + 105 درجة مئوية ، النيتروسليلوز + 160 درجة مئوية ، بيركلورات الأمونيوم والأوكتوجين + 200 درجة مئوية) يتجاوز إلى حد كبير خاصية مماثلة من المعروف المجلدات ، وبالتالي البحث عن المركبات الجديدة ذات الصلة.
زوج الوقود الأكثر استقرارًا كيميائيًا هو AT + UDMH ، لأنه طور تقنية محلية فريدة للتخزين الأمبسي في خزانات الألمنيوم تحت ضغط طفيف من النيتروجين الزائد لفترة غير محدودة تقريبًا. تتحلل جميع أنواع الوقود الصلب كيميائيًا بمرور الوقت بسبب التحلل التلقائي للبوليمرات ومذيباتها التكنولوجية ، وبعدها تدخل الأوليمومرات في تفاعلات كيميائية مع مكونات وقود أخرى أكثر استقرارًا. لذلك ، تحتاج الداما الدافع الصلب استبدال منتظم.
المكون السام من الناحية البيولوجية لوقود الصواريخ هو UDMH ، الذي يؤثر على الجهاز العصبي المركزي ، والأغشية المخاطية للعيون والجهاز الهضمي للشخص ، ويثير السرطان. في هذا الصدد ، يتم العمل مع UDMH في الدعاوى العازلة للحماية الكيميائية باستخدام أجهزة التنفس القائمة بذاتها.
تؤثر قيمة كثافة الوقود بشكل مباشر على كتلة خزانات الوقود في محرك الصاروخ ودار صاروخ الدفع الصلب: كلما زادت الكثافة ، انخفضت الكتلة الطفيلية للصاروخ. أدنى كثافة لزوج وقود الهيدروجين + الأكسجين هي 0،34 جم / متر مكعب. سم ، لزوج من الكيروسين + الأكسجين ، والكثافة هي 109 جم / مكعب. سم ، AT + UDMH - 1،19 جم / مكعب. سم ، نيتروسليلوز + نتروجليسرين - 1،62 جم / مكعب. سم ، الألومنيوم / هيدريد الألومنيوم + بيركلورات الأمونيوم / دينيتراميد - 1.7 جم / سم ، أوكتوجين + بيركلورات الأمونيوم - 1.9 جم / سم مكعب. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الاحتراق المحوري يعمل بالوقود الصلب الذي يعمل بالوقود الصلب ذو كثافة شحن للوقود يبلغ حوالي نصف كثافة الوقود بسبب القسم ذي الشكل النجم في قناة الاحتراق المستخدم للحفاظ على ضغط ثابت في غرفة الاحتراق بغض النظر عن الدرجة حرق الوقود. وينطبق الشيء نفسه على أنواع الوقود الباليستية ، التي يتم تشكيلها في شكل مجموعة من الأشرطة أو أجهزة التحكم لتقليل وقت الاحتراق ومسافة تسارع الصواريخ والصواريخ. على عكسهم ، تتزامن كثافة شحنة الوقود في الوقود الصلب الذي يعمل بالوقود الصلب بالوقود الصلب بالوقود الصلب مع HMX مع الحد الأقصى للكثافة المشار إليها.
آخر الخصائص الرئيسية لوقود الصواريخ هي دخان منتجات الاحتراق ، وكشف بصريًا عن رحلة الصواريخ والصواريخ. هذه الميزة متأصلة في أنواع الوقود الصلب التي تحتوي على الألومنيوم ، والتي تتكثف أكاسيدها إلى الحالة الصلبة أثناء التمدد في فوهة محرك الصواريخ. لذلك ، يتم استخدام هذه الأنواع من الوقود في الصواريخ البالستية ذات الدفع الصاروخي الصلب ، والجزء النشط من مسارها يقع خارج خط البصر المباشر للعدو. تم تجهيز صواريخ الطائرات بالوقود القائم على الأوكتن والأركونيوم والصواريخ والقنابل اليدوية والقذائف المضادة للدبابات بالوقود الباليستي.
طاقة وقود الصواريخ
لمقارنة إمكانيات الطاقة لأنواع مختلفة من وقود الصواريخ ، من الضروري تعيين ظروف احتراق قابلة للمقارنة لها في شكل ضغط في غرفة الاحتراق ودرجة تمدد فوهة محرك الصاروخ - على سبيل المثال ، 150 جوًا و 300 توسيع أضعاف. بعد ذلك ، بالنسبة إلى أزواج / أضعاف الوقود ، سيكون الدافع المحدد هو:
الأكسجين + الهيدروجين - 4،4 كم / ثانية ؛
الأكسجين + الكيروسين - 3،4 كم / ثانية ؛
AT + UDMH - 3،3 كم / ثانية ؛
دينيتراميد الأمونيوم + هيدروجين الهيدروجين + الأوكتن - 3.2 كم / ثانية ؛
بيركلورات الأمونيوم + الألومنيوم + أوكتوجين - 3،1 كم / ثانية ؛
بيركلورات الأمونيوم + الأوكتين - 2،9 كم / ثانية ؛
نيتروسليلوز + نتروجليسرين - 2،5 كم / ثانية.
كان الوقود الصلب المرتكز على دينيتراميد الأمونيوم تطوراً محلياً في أواخر الثمانينات من القرن الماضي ، وكان يستخدم كوقود للمرحلتين الثانية والثالثة من صواريخ RT-23 UTTX و P-39 ولم يتم تجاوزه حتى الآن في أداء الطاقة عينات من الوقود الأجنبي على أساس بيركلورات الأمونيوم ، وتستخدم في صواريخ Minuteman-3 و Trident-2. دينيتراميد الأمونيوم مادة متفجرة تنفجر حتى من الإشعاع الضوئي ؛ لذلك ، يتم إنتاجه في غرف مضاءة بمصابيح إضاءة حمراء منخفضة الطاقة. لم تسمح الصعوبات التكنولوجية بإتقان عملية تصنيع وقود الصواريخ بناءً عليه في أي مكان في العالم ، باستثناء الاتحاد السوفيتي. إنها مسألة أخرى أن التكنولوجيا السوفيتية لم تنفذ بشكل روتيني إلا في مصنع بافلوغراد الكيميائي ، الواقع في منطقة دنيبروبيتروفسك في جمهورية أوكرانيا الاشتراكية السوفياتية ، وفُقدت في عام 1990 بعد إعادة تصميم المصنع لإنتاج المواد الكيميائية المنزلية. ومع ذلك ، واستنادا إلى الخصائص التكتيكية والتقنية للنماذج الواعدة للأسلحة من طراز "الحدود" RS-26 ، تم استعادة التكنولوجيا في روسيا في 2010-s.
مثال على تكوين فعال للغاية هو تكوين وقود الصواريخ الصلبة من براءة الاختراع الروسية رقم 2241693 المملوكة من قبل محطة الدولة الفيدرالية الوحدانية للشركات بيرم المسماة باسم CM. كيروف ":
العامل المؤكسد هو دينيتراميد الأمونيوم ، 58 ٪ ؛
الوقود - هيدريد الألومنيوم ، 27 ٪ ؛
الملدنات - نيتريسوبوتيل ترينيت الجلسرين ، 11،25 ٪.
الموثق - polybutadiene النتريل المطاط ، 2،25 ٪ ؛
تصليب - كبريت ، 1،49 ٪ ؛
مثبت احتراق - ألومنيوم متناهية الصغر ، 0،01٪ ؛
إضافات - السخام ، الليسيثين ، إلخ.
آفاق تطوير وقود الصواريخ
المجالات الرئيسية لتطوير وقود الصواريخ السائل هي (حسب الأولوية):
- استخدام الأكسجين فائق البرودة من أجل زيادة كثافة عامل التأكسد ؛
- الانتقال إلى زوج من وقود الأكسجين + الميثان ، الذي يحتوي المكون القابل للاشتعال على طاقة أكثر بنسبة 15 ٪ و 6 أضعاف قدرة حرارية أكثر من الكيروسين ، بالنظر إلى أن خزانات الألمنيوم تصلب في درجة حرارة الميثان السائل ؛
- إضافة الأوزون إلى تكوين الأكسجين عند مستوى 24 ٪ من أجل زيادة نقطة الغليان والطاقة لعامل مؤكسد (نسبة كبيرة من الأوزون متفجرة) ؛
- استخدام الوقود المتغيّر (الكثيف) ، الذي تحتوي مكوناته على معلقات من البنتابوران أو خماسي الفلورايد أو المعادن أو هيدريداتها.
الأكسجين الفائق البرودة يستخدم بالفعل في مركبة الإطلاق Falcon 9 ؛ يتم تطوير محركات الأوكسجين + الميثان محركات الصواريخ وقود في روسيا والولايات المتحدة الأمريكية.
الاتجاه الرئيسي لتطوير الوقود الصاروخي الصلب هو الانتقال إلى المجلدات النشطة التي تحتوي على الأكسجين في جزيئاتها ، مما يحسن التوازن التأكسدي لل fue الصلبة
مجال آخر واعد هو توسيع نطاق متفجرات النيترامين المستخدمة ، والتي لديها توازن أكبر في الأكسجين مقارنة مع الأوكتين (ناقص 22 ٪). بادئ ذي بدء ، هو hexanthirohexaazaisowurtzitane (Cl-20 ، توازن الأكسجين ناقص 10 ٪) و octanitrocubane (صفر توازن الأكسجين) ، تعتمد احتمالات استخدامها على خفض تكلفة إنتاجهم - حاليًا Cl-20 أغلى بكثير من الأوكتن ، octonitrocuban أغلى بكثير من Cl -20.
بالإضافة إلى تحسين الأنواع المعروفة من المكونات ، يجري البحث أيضًا في اتجاه إنشاء مركبات بوليمر تتألف جزيئاتها حصريًا من ذرات النيتروجين التي تربطها روابط مفردة. نتيجة لتحلل مركب البوليمر تحت تأثير التدفئة ، يشكل النيتروجين جزيئات بسيطة من ذرتين متصلة بواسطة رابطة ثلاثية. الطاقة المنبعثة في هذه الحالة هي ضعف طاقة متفجرات النيترامين. لأول مرة ، تم الحصول على مركبات النيتروجين مع شعرية بلورية مثل الماس من قبل العلماء الروس والألمان في عام 2009 خلال تجارب على إعداد تجريبي مشترك تحت تأثير الضغط في 1 مليون الغلاف الجوي ودرجة الحرارة في 1725 درجة مئوية. جاري تحقيق حالة مستقرة من بوليمرات النيتروجين في ضغوط ودرجات حرارة عادية.
المركبات الكيميائية المحتوية على الأكسجين هي أكاسيد نيتروجين أعلى. لا يمثل أكسيد النيتريك الخامس (جزيء مستوي يتكون من ذرتين نيتروجين وخمس ذرات أكسجين) القيمة العملية كمكون من الوقود الصلب بسبب انخفاض درجة انصهاره (32 درجة مئوية). يجري البحث في هذا الاتجاه من خلال البحث عن طريقة لتخليق أكسيد النيتريك السادس (هيكسوكسيد التترازوتون) ، الذي يتكون جزيء الهيكل العظمي منه في شكل رباعي السطوح ، توجد في أعلىه أربع ذرات نيتروجين مرتبطة بـ ست ذرات أكسجين تقع على حواف رباعي الاسطح. الإغلاق الكامل للروابط بين الذرية في جزيء أكسيد النيتريك السادس يجعل من الممكن التنبؤ به لزيادة الاستقرار الحراري على غرار اليوتروبين. يتيح لك توازن الأكسجين لأكسيد النيتريك السادس (زائد 63٪) زيادة الثقل النوعي لأنواع الصواريخ الصاروخية ذات المكونات عالية الطاقة مثل المعادن وهيدريدات المعادن والنترامين والبوليمرات الهيدروكربونية.
en.topwar.ru
خلفية تاريخية
يحتوي وقود الصواريخ على وقود وعامل مؤكسد ، وعلى عكس وقود الطائرات ، لا يحتاج إلى مكون خارجي: الهواء أو الماء. يتم تقسيم الوقود الصاروخي في حالة التجميع إلى سائل ، صلب ومهجين. ينقسم الوقود السائل إلى تبريد (مع درجة غليان لمكونات تقل عن الصفر درجة مئوية) وغليان عالي (الباقي). يتكون الوقود الصلب من مركب كيميائي أو محلول صلب أو خليط من المكونات البلاستيكية. يتكون الوقود الهجين من مكونات في حالة تجميع مختلفة ؛ في هذه اللحظة هم في مرحلة البحث.
تاريخيا ، كان أول صاروخ وقود هو مسحوق الدخان ، الذي يتكون من خليط من النترات (عامل مؤكسد) ، الفحم (الوقود) والكبريت (الموثق) ، الذي استخدم لأول مرة في الصواريخ الصينية في القرن الثاني الميلادي من الذخيرة مع محرك صاروخي يعمل بالوقود الصلب (RDTT) تم استخدامه في الجيش كجهاز حارق وإشارة.
بعد اختراع البارود الذي لا يدخن في نهاية القرن التاسع عشر على أساسه ، تم تطوير وقود باليستي أحادي المكون ، يتكون من محلول صلب من النيتروسليلوز (الوقود) في النتروجليسرين (عامل مؤكسد). يحتوي الوقود الباليستي على طاقة متعددة مقارنة بالبودرة السوداء ، ويحتوي على قوة ميكانيكية عالية ، ويتشكل بشكل جيد ، والاستقرار الكيميائي على المدى الطويل أثناء التخزين ، وتكلفة منخفضة. حددت هذه الصفات سلفًا الاستخدام الواسع النطاق للوقود الباليستي في الذخائر الأكثر شيوعًا والمجهزة بصواريخ صاروخية تعمل بالوقود الصلب - الصواريخ والقنابل اليدوية.
إن تطوير تخصصات علمية مثل ديناميات الغاز ، وفيزياء الاحتراق ، وكيمياء المركبات عالية الطاقة في النصف الأول من القرن العشرين مكنت من توسيع تكوين وقود الصواريخ من خلال استخدام المكونات السائلة. أول محرك صواريخ عسكري يعمل بالوقود السائل من نوع Fau-2 يستخدم عامل مؤكسد مبرد - الأكسجين السائل والوقود المغلي العالي - كحول الإيثيل.
بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتسب السلاح الصاروخي الأولوية في التطوير مقارنة بأنواع الأسلحة الأخرى بسبب قدرته على إيصال الشحنات النووية إلى الهدف في أي مسافة - من عدة كيلومترات (أنظمة رد الفعل) إلى المدى العابر للقارات (الصواريخ الباليستية). بالإضافة إلى ذلك ، أدت الأسلحة الصاروخية إلى نزوح المدفعية بشكل كبير في مجالات الطيران والدفاع الجوي والقوات البرية والبحرية بسبب نقص قوة الارتداد عند إطلاق الذخيرة بمحركات الصواريخ.
في نفس الوقت الذي يتم فيه تطوير الوقود الصاروخي والسائل الذي يعمل بالوقود السائل ، تم تطوير أنواع الوقود الصلب المختلط متعدد المكونات باعتبارها الأنسب للاستخدام العسكري نظرًا لنطاق درجة حرارة التشغيل الواسع ، والقضاء على خطر انسكاب المكونات ، وانخفاض تكلفة محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسبب عدم وجود خطوط أنابيب وصمامات ومضخات ، جر أكثر لكل وحدة وزن.
الخصائص الرئيسية للوقود الصواريخ
بالإضافة إلى حالة تجميع مكوناتها ، يتميز الوقود الصاروخي بالمؤشرات التالية:
- الدافع المحدد للتوجه ؛
- الاستقرار الحراري ؛
- الاستقرار الكيميائي؛
- السمية البيولوجية ؛
- الكثافة ؛
- الدخان.
يعتمد الدافع المحدد لوقود الصواريخ على الضغط ودرجة الحرارة في غرفة الاحتراق للمحرك ، وكذلك التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد الدافع المحدد على درجة تمدد فوهة المحرك ، لكن هذا ينطبق أكثر على البيئة الخارجية لتكنولوجيا الصواريخ (الجو أو الفضاء الخارجي).
يتم ضمان زيادة الضغط عن طريق استخدام المواد الإنشائية ذات القوة العالية (سبائك الصلب لمحركات الصواريخ والبلاستيك العضوي لمحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب). في هذا الجانب ، تكون محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل متقدمة على محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسبب انضغاط نظام الدفع الخاص بها مقارنة بمكان محرك الوقود الصلب ، والذي يمثل غرفة احتراق كبيرة.
يتم تحقيق درجة حرارة عالية لمنتجات الاحتراق عن طريق إضافة معدن الألمنيوم إلى وقود صلب أو مركب كيميائي - هيدريد الألومنيوم. لا يمكن للوقود السائل استخدام هذه المواد المضافة إلا إذا تم تثبيته باستخدام إضافات خاصة. يتم ضمان الحماية الحرارية لمحرك الصاروخ من خلال تبريد الوقود ، ويتم تحقيق الحماية الحرارية لمحرك صاروخ الدفع الصلب من خلال ربط كتلة الوقود بحزم مع جدران المحرك واستخدام البطانات المركبة من الكربون والكربون القابلة للحرق في الفوهة الحرجة. الجزء.
يؤثر التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق / تحلل الوقود على معدل التدفق وحالة التجميع عند مخرج الفوهة. كلما قل وزن الجزيئات ، زاد معدل التدفق: أكثر منتجات الاحتراق المفضلة هي جزيئات الماء ، يليها النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والكلور وأكسيدات الهالوجين الأخرى ؛ الأقل تفضيلاً هو أكسيد الألومنيوم ، الذي يتكثف في فوهة المحرك إلى حالة صلبة ، مما يقلل من حجم الغازات المتسعة. بالإضافة إلى ذلك ، يفرض جزء أكسيد الألومنيوم استخدام فوهات مخروطية الشكل بسبب التآكل الكشط لفوهات Laval الأكثر فعالية مع سطح مكافئ.
بالنسبة للوقود الصاروخي العسكري ، فإن استقراره الحراري له أهمية خاصة نظرًا لنطاق درجة الحرارة الواسع لتشغيل تكنولوجيا الصواريخ. لذلك ، لم يتم استخدام أنواع الوقود السائل المبردة (الأكسجين + الكيروسين والأكسجين + الهيدروجين) إلا في المرحلة الأولى من تطوير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات (P-7 و Titan) ، بالإضافة إلى قاذفات إطلاق الصواريخ الفضائية (Space Shuttle and Energy) المصممة لإطلاق الأقمار الصناعية والأسلحة الفضائية في مدار قريب من الأرض.
يستخدم القطاع العسكري حاليًا الوقود السائل عالي الغليان على أساس رباعي أكسيد النيتروجين (AT ، عامل مؤكسد) وثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل (UDMH ، وقود). يتم تحديد الثبات الحراري لزوج الوقود هذا من خلال نقطة غليان AT (+ 21 درجة مئوية) ، مما يحد من استخدام هذا الوقود بواسطة الصواريخ الموجودة في ظروف حرارية لصوامع صواريخ من قذائف صاروخية من طراز ICBMs و SLBMs. بسبب عدوانية المكونات ، تمتلك دولة واحدة فقط في العالم التكنولوجيا الخاصة بإنتاج وتشغيل الدبابات الصاروخية - اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية / RF (Voevoda و Sarmat ICBMs و Sineva و Liner SLBMs). كاستثناء ، يتم استخدام AT + UDMH كوقود لصاروخ كروز X-22 Storm ، ولكن بسبب مشاكل في التشغيل الأرضي ، من المقرر استبدال X-22 والجيل التالي X-32 بصواريخ كروز Zircon باستخدام محرك نفاث باستخدام الكيروسين كوقود.
يتم تحديد الثبات الحراري للوقود الصلب بشكل أساسي من خلال الخاصية المطابقة للمذيب ورابط البوليمر. في تكوين الوقود الباليستي ، يكون المذيب هو النتروجليسرين ، الذي يحتوي في محلول صلب مع النيتروسليلوز على نطاق درجة حرارة التشغيل من ناقص إلى 50 درجة مئوية. في أنواع الوقود المختلط ، يتم استخدام مختلف أنواع المطاط الاصطناعي التي لها نفس نطاق درجة حرارة التشغيل كبوليمر الموثق. ومع ذلك ، فإن الثبات الحراري للمكونات الرئيسية للوقود الصلب (دينيتراميد الأمونيوم + 97 درجة مئوية ، هيدريد الألومنيوم + 105 درجة مئوية ، النيتروسليلوز + 160 درجة مئوية ، بيركلورات الأمونيوم والأوكتوجين + 200 درجة مئوية) يتجاوز إلى حد كبير خاصية مماثلة من المعروف المجلدات ، وبالتالي البحث عن المركبات الجديدة ذات الصلة.
زوج الوقود الأكثر استقرارًا كيميائيًا هو AT + UDMH ، لأنه طور تقنية محلية فريدة للتخزين الأمبسي في خزانات الألمنيوم تحت ضغط طفيف من النيتروجين الزائد لفترة غير محدودة تقريبًا. تتحلل جميع أنواع الوقود الصلب كيميائيًا بمرور الوقت بسبب التحلل التلقائي للبوليمرات ومذيباتها التكنولوجية ، وبعدها تدخل الأوليمومرات في تفاعلات كيميائية مع مكونات وقود أخرى أكثر استقرارًا. لذلك ، تحتاج الداما الدافع الصلب استبدال منتظم.
المكون السام من الناحية البيولوجية لوقود الصواريخ هو UDMH ، الذي يؤثر على الجهاز العصبي المركزي ، والأغشية المخاطية للعيون والجهاز الهضمي للشخص ، ويثير السرطان. في هذا الصدد ، يتم العمل مع UDMH في الدعاوى العازلة للحماية الكيميائية باستخدام أجهزة التنفس القائمة بذاتها.
تؤثر قيمة كثافة الوقود بشكل مباشر على كتلة خزانات الوقود في محرك الصاروخ ودار صاروخ الدفع الصلب: كلما زادت الكثافة ، انخفضت الكتلة الطفيلية للصاروخ. أدنى كثافة لزوج وقود الهيدروجين + الأكسجين هي 0،34 جم / متر مكعب. سم ، لزوج من الكيروسين + الأكسجين ، والكثافة هي 109 جم / مكعب. سم ، AT + UDMH - 1،19 جم / مكعب. سم ، نيتروسليلوز + نتروجليسرين - 1،62 جم / مكعب. سم ، الألومنيوم / هيدريد الألومنيوم + بيركلورات الأمونيوم / دينيتراميد - 1.7 جم / سم ، أوكتوجين + بيركلورات الأمونيوم - 1.9 جم / سم مكعب. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الاحتراق المحوري يعمل بالوقود الصلب الذي يعمل بالوقود الصلب ذو كثافة شحن للوقود يبلغ حوالي نصف كثافة الوقود بسبب القسم ذي الشكل النجم في قناة الاحتراق المستخدم للحفاظ على ضغط ثابت في غرفة الاحتراق بغض النظر عن الدرجة حرق الوقود. وينطبق الشيء نفسه على أنواع الوقود الباليستية ، التي يتم تشكيلها في شكل مجموعة من الأشرطة أو أجهزة التحكم لتقليل وقت الاحتراق ومسافة تسارع الصواريخ والصواريخ. على عكسهم ، تتزامن كثافة شحنة الوقود في الوقود الصلب الذي يعمل بالوقود الصلب بالوقود الصلب بالوقود الصلب مع HMX مع الحد الأقصى للكثافة المشار إليها.
آخر الخصائص الرئيسية لوقود الصواريخ هي دخان منتجات الاحتراق ، وكشف بصريًا عن رحلة الصواريخ والصواريخ. هذه الميزة متأصلة في أنواع الوقود الصلب التي تحتوي على الألومنيوم ، والتي تتكثف أكاسيدها إلى الحالة الصلبة أثناء التمدد في فوهة محرك الصواريخ. لذلك ، يتم استخدام هذه الأنواع من الوقود في الصواريخ البالستية ذات الدفع الصاروخي الصلب ، والجزء النشط من مسارها يقع خارج خط البصر المباشر للعدو. تم تجهيز صواريخ الطائرات بالوقود القائم على الأوكتن والأركونيوم والصواريخ والقنابل اليدوية والقذائف المضادة للدبابات بالوقود الباليستي.
طاقة وقود الصواريخ
لمقارنة إمكانيات الطاقة لأنواع مختلفة من وقود الصواريخ ، من الضروري تعيين ظروف احتراق قابلة للمقارنة لها في شكل ضغط في غرفة الاحتراق ودرجة تمدد فوهة محرك الصاروخ - على سبيل المثال ، 150 جوًا و 300 توسيع أضعاف. بعد ذلك ، بالنسبة إلى أزواج / أضعاف الوقود ، سيكون الدافع المحدد هو:
الأكسجين + الهيدروجين - 4،4 كم / ثانية ؛
الأكسجين + الكيروسين - 3،4 كم / ثانية ؛
AT + UDMH - 3،3 كم / ثانية ؛
دينيتراميد الأمونيوم + هيدروجين الهيدروجين + الأوكتن - 3.2 كم / ثانية ؛
بيركلورات الأمونيوم + الألومنيوم + أوكتوجين - 3،1 كم / ثانية ؛
بيركلورات الأمونيوم + الأوكتين - 2،9 كم / ثانية ؛
نيتروسليلوز + نتروجليسرين - 2،5 كم / ثانية.
كان الوقود الصلب المرتكز على دينيتراميد الأمونيوم تطوراً محلياً في أواخر الثمانينات من القرن الماضي ، وكان يستخدم كوقود للمرحلتين الثانية والثالثة من صواريخ RT-23 UTTX و P-39 ولم يتم تجاوزه حتى الآن في أداء الطاقة عينات من الوقود الأجنبي على أساس بيركلورات الأمونيوم ، وتستخدم في صواريخ Minuteman-3 و Trident-2. دينيتراميد الأمونيوم مادة متفجرة تنفجر حتى من الإشعاع الضوئي ؛ لذلك ، يتم إنتاجه في غرف مضاءة بمصابيح إضاءة حمراء منخفضة الطاقة. لم تسمح الصعوبات التكنولوجية بإتقان عملية تصنيع وقود الصواريخ بناءً عليه في أي مكان في العالم ، باستثناء الاتحاد السوفيتي. إنها مسألة أخرى أن التكنولوجيا السوفيتية لم تنفذ بشكل روتيني إلا في مصنع بافلوغراد الكيميائي ، الواقع في منطقة دنيبروبيتروفسك في جمهورية أوكرانيا الاشتراكية السوفياتية ، وفُقدت في عام 1990 بعد إعادة تصميم المصنع لإنتاج المواد الكيميائية المنزلية. ومع ذلك ، واستنادا إلى الخصائص التكتيكية والتقنية للنماذج الواعدة للأسلحة من طراز "الحدود" RS-26 ، تم استعادة التكنولوجيا في روسيا في 2010-s.
مثال على تكوين فعال للغاية هو تكوين وقود الصواريخ الصلبة من براءة الاختراع الروسية رقم 2241693 المملوكة من قبل محطة الدولة الفيدرالية الوحدانية للشركات بيرم المسماة باسم CM. كيروف ":
العامل المؤكسد هو دينيتراميد الأمونيوم ، 58 ٪ ؛
الوقود - هيدريد الألومنيوم ، 27 ٪ ؛
الملدنات - نيتريسوبوتيل ترينيت الجلسرين ، 11،25 ٪.
الموثق - polybutadiene النتريل المطاط ، 2،25 ٪ ؛
تصليب - كبريت ، 1،49 ٪ ؛
مثبت احتراق - ألومنيوم متناهية الصغر ، 0،01٪ ؛
إضافات - السخام ، الليسيثين ، إلخ.
آفاق تطوير وقود الصواريخ
المجالات الرئيسية لتطوير وقود الصواريخ السائل هي (حسب الأولوية):
- استخدام الأكسجين فائق البرودة من أجل زيادة كثافة عامل التأكسد ؛
- الانتقال إلى زوج من وقود الأكسجين + الميثان ، الذي يحتوي المكون القابل للاشتعال على طاقة أكثر بنسبة 15 ٪ و 6 أضعاف قدرة حرارية أكثر من الكيروسين ، بالنظر إلى أن خزانات الألمنيوم تصلب في درجة حرارة الميثان السائل ؛
- إضافة الأوزون إلى تكوين الأكسجين عند مستوى 24 ٪ من أجل زيادة نقطة الغليان والطاقة لعامل مؤكسد (نسبة كبيرة من الأوزون متفجرة) ؛
- استخدام الوقود المتغيّر (الكثيف) ، الذي تحتوي مكوناته على معلقات من البنتابوران أو خماسي الفلورايد أو المعادن أو هيدريداتها.
الأكسجين الفائق البرودة يستخدم بالفعل في مركبة الإطلاق Falcon 9 ؛ يتم تطوير محركات الأوكسجين + الميثان محركات الصواريخ وقود في روسيا والولايات المتحدة الأمريكية.
الاتجاه الرئيسي لتطوير الوقود الصاروخي الصلب هو الانتقال إلى المجلدات النشطة التي تحتوي على الأكسجين في جزيئاتها ، مما يحسن التوازن التأكسدي لل fue الصلبة
مجال آخر واعد هو توسيع نطاق متفجرات النيترامين المستخدمة ، والتي لديها توازن أكبر في الأكسجين مقارنة مع الأوكتين (ناقص 22 ٪). بادئ ذي بدء ، هو hexanthirohexaazaisowurtzitane (Cl-20 ، توازن الأكسجين ناقص 10 ٪) و octanitrocubane (صفر توازن الأكسجين) ، تعتمد احتمالات استخدامها على خفض تكلفة إنتاجهم - حاليًا Cl-20 أغلى بكثير من الأوكتن ، octonitrocuban أغلى بكثير من Cl -20.
بالإضافة إلى تحسين الأنواع المعروفة من المكونات ، يجري البحث أيضًا في اتجاه إنشاء مركبات بوليمر تتألف جزيئاتها حصريًا من ذرات النيتروجين التي تربطها روابط مفردة. نتيجة لتحلل مركب البوليمر تحت تأثير التدفئة ، يشكل النيتروجين جزيئات بسيطة من ذرتين متصلة بواسطة رابطة ثلاثية. الطاقة المنبعثة في هذه الحالة هي ضعف طاقة متفجرات النيترامين. لأول مرة ، تم الحصول على مركبات النيتروجين مع شعرية بلورية مثل الماس من قبل العلماء الروس والألمان في عام 2009 خلال تجارب على إعداد تجريبي مشترك تحت تأثير الضغط في 1 مليون الغلاف الجوي ودرجة الحرارة في 1725 درجة مئوية. جاري تحقيق حالة مستقرة من بوليمرات النيتروجين في ضغوط ودرجات حرارة عادية.
المركبات الكيميائية المحتوية على الأكسجين هي أكاسيد نيتروجين أعلى. لا يمثل أكسيد النيتريك الخامس (جزيء مستوي يتكون من ذرتين نيتروجين وخمس ذرات أكسجين) القيمة العملية كمكون من الوقود الصلب بسبب انخفاض درجة انصهاره (32 درجة مئوية). يجري البحث في هذا الاتجاه من خلال البحث عن طريقة لتخليق أكسيد النيتريك السادس (هيكسوكسيد التترازوتون) ، الذي يتكون جزيء الهيكل العظمي منه في شكل رباعي السطوح ، توجد في أعلىه أربع ذرات نيتروجين مرتبطة بـ ست ذرات أكسجين تقع على حواف رباعي الاسطح. الإغلاق الكامل للروابط بين الذرية في جزيء أكسيد النيتريك السادس يجعل من الممكن التنبؤ به لزيادة الاستقرار الحراري على غرار اليوتروبين. يتيح لك توازن الأكسجين لأكسيد النيتريك السادس (زائد 63٪) زيادة الثقل النوعي لأنواع الصواريخ الصاروخية ذات المكونات عالية الطاقة مثل المعادن وهيدريدات المعادن والنترامين والبوليمرات الهيدروكربونية.
Types of military rocket fuel
Historical excursion Rocket fuel contains fuel and oxidizer and, unlike jet fuel, does not need an external component: air or water. Rocket fuels, according to their state of aggregation, are divided into liquid, solid and hybrid. Liquid fuels are classified into
en.topwar.ru
