O combustível de foguete contém combustível e oxidante e, ao contrário do combustível de aviação, não precisa de um componente externo: ar ou água. Os combustíveis de foguete, de acordo com seu estado de agregação, são divididos em líquidos, sólidos e híbridos. Os combustíveis líquidos são divididos em criogênicos (com ponto de ebulição dos componentes abaixo de zero graus Celsius) e alto ponto de ebulição (o restante). Os combustíveis sólidos consistem em um composto químico, uma solução sólida ou uma mistura plastificada de componentes. Os combustíveis híbridos são compostos por componentes em diferentes estados agregados e estão atualmente em fase de pesquisa.
Historicamente, o primeiro combustível de foguete era pó preto, uma mistura de salitre (oxidante), carvão (combustível) e enxofre (aglutinante), que foi usado pela primeira vez em foguetes chineses no século 2 DC. Munição com um motor de foguete de propelente sólido (motor de foguete de propelente sólido) foi usada em assuntos militares como um meio incendiário e de sinalização.
Após a invenção do pó sem fumaça no final do século 19, um combustível balistita monocomponente foi desenvolvido em sua base, consistindo de uma solução sólida de nitrocelulose (combustível) em nitroglicerina (um agente oxidante). O combustível balistita possui um múltiplo de energia superior em relação ao pó preto, possui alta resistência mecânica, é bem formado, mantém a estabilidade química por muito tempo durante o armazenamento e tem baixo custo. Essas qualidades predeterminaram o uso generalizado de combustível balístico na munição mais massiva equipada com propelentes sólidos - foguetes e granadas.
O desenvolvimento, na primeira metade do século XX, de disciplinas científicas como a dinâmica dos gases, a física da combustão e a química dos compostos de alta energia tornou possível expandir a composição dos combustíveis de foguete por meio do uso de componentes líquidos. O primeiro míssil de combate com motor de foguete de propelente líquido (LPRE) "V-2" usava um oxidante criogênico - oxigênio líquido e um combustível de alto ponto de ebulição - álcool etílico.
Após a Segunda Guerra Mundial, as armas de foguete receberam uma prioridade de desenvolvimento em relação a outros tipos de armas devido à sua capacidade de lançar cargas nucleares a um alvo a qualquer distância - de vários quilômetros (sistemas de foguetes) a alcance intercontinental (mísseis balísticos). Além disso, as armas de foguete suplantaram significativamente as armas de artilharia na aviação, defesa aérea, forças terrestres e na marinha devido à falta de força de recuo ao lançar munição com motores de foguete.
Simultaneamente ao combustível de foguete balístico e líquido, propelentes sólidos mistos multicomponentes desenvolvidos como os mais adequados para uso militar devido a sua ampla faixa de temperatura de operação, eliminação do perigo de derramamento de componentes, menor custo de motores de foguetes de propelente sólido devido à ausência de oleodutos, válvulas e bombas com maior empuxo por unidade de peso.
As principais características dos combustíveis para foguetes
Além do estado de agregação de seus componentes, os combustíveis de foguete são caracterizados pelos seguintes indicadores:
- impulso específico de impulso;
- estabilidade térmica;
- estabilidade química;
- toxicidade biológica;
- densidade;
- fumaça.
O impulso de empuxo específico dos combustíveis de foguete depende da pressão e da temperatura na câmara de combustão do motor, bem como da composição molecular dos produtos de combustão. Além disso, o impulso específico depende da taxa de expansão do bico do motor, mas isso está mais relacionado ao ambiente externo da tecnologia de foguetes (atmosfera do ar ou espaço sideral).
O aumento da pressão é proporcionado pelo uso de materiais estruturais de alta resistência (ligas de aço para motores de foguetes e organoplásticos para propelentes sólidos). Nesse aspecto, os motores de foguete de propelente líquido estão à frente dos propelentes sólidos devido à compactação de sua unidade de propulsão em comparação com o corpo de um motor de combustível sólido, que é uma grande câmara de combustão.
A alta temperatura dos produtos de combustão é obtida adicionando-se alumínio metálico ou um composto químico - hidreto de alumínio ao combustível sólido. Os combustíveis líquidos podem usar esses aditivos apenas se forem engrossados com aditivos especiais. A proteção térmica dos motores de foguete de propelente líquido é fornecida por resfriamento com combustível, proteção térmica de propelentes sólidos - fixando firmemente o bloco de combustível às paredes do motor e o uso de inserções queimadas feitas de composto de carbono-carbono na seção crítica de o bico.
A composição molecular dos produtos de combustão / decomposição do combustível afeta a taxa de fluxo e seu estado de agregação na saída do bico. Quanto menor o peso das moléculas, maior a taxa de fluxo: os produtos de combustão mais preferidos são as moléculas de água, seguidas por nitrogênio, dióxido de carbono, óxidos de cloro e outros halogênios; menos preferida é a alumina, que condensa em um sólido no bocal do motor, reduzindo assim o volume dos gases em expansão. Além disso, a fração de óxido de alumínio força o uso de bicos cônicos devido ao desgaste abrasivo dos bicos parabólicos Laval mais eficientes.
Para combustíveis de foguetes militares, sua estabilidade térmica é de particular importância devido à ampla faixa de temperatura de operação da tecnologia de foguetes. Portanto, os combustíveis líquidos criogênicos (oxigênio + querosene e oxigênio + hidrogênio) foram usados apenas na fase inicial de desenvolvimento de mísseis balísticos intercontinentais (R-7 e Titan), bem como para veículos de lançamento de veículos espaciais reutilizáveis (Space Shuttle e Energia) destinada ao lançamento de satélites e armas espaciais na órbita baixa da Terra.
Atualmente, os militares usam exclusivamente combustível líquido de alto ponto de ebulição à base de tetróxido de nitrogênio (AT, oxidante) e dimetilhidrazina assimétrica (UDMH, combustível). A estabilidade térmica desse par de combustível é determinada pelo ponto de ebulição do AT (+ 21 ° C), o que limita o uso desse combustível por mísseis em condições termostatizadas em silos de mísseis ICBM e SLBM. Devido à agressividade dos componentes, a tecnologia de sua produção e operação de tanques de mísseis era / é propriedade de apenas um país no mundo - a URSS / RF (ICBMs "Voevoda" e "Sarmat", SLBMs "Sineva" e " Forro"). Como exceção, AT + NDMG é usado como combustível para os mísseis de cruzeiro da aeronave Kh-22 Tempest, mas devido a problemas com a operação em solo, o Kh-22 e sua próxima geração Kh-32 devem ser substituídos por motores a jato Mísseis de cruzeiro Zircon usando querosene como combustível.
A estabilidade térmica dos combustíveis sólidos é determinada principalmente pelas propriedades correspondentes do solvente e do ligante de polímero. Na composição dos combustíveis balistita, o solvente é a nitroglicerina, que em uma solução sólida com nitrocelulose tem uma faixa de temperatura de operação de menos a mais 50 ° C. Em combustíveis mistos, várias borrachas sintéticas com a mesma faixa de temperatura operacional são usadas como aglutinante de polímero. No entanto, a estabilidade térmica dos principais componentes dos combustíveis sólidos (dinitramida de amônio + 97 ° C, hidreto de alumínio + 105 ° C, nitrocelulose + 160 ° C, perclorato de amônio e HMX + 200 ° C) excede significativamente a propriedade semelhante de ligantes conhecidos e, portanto, é relevante a busca por suas novas composições.
O par de combustível mais estável quimicamente é o AT + UDMG, uma vez que foi desenvolvida para ele uma tecnologia doméstica única de armazenamento ampulizado em tanques de alumínio sob um leve excesso de pressão de nitrogênio por um tempo quase ilimitado. Todos os combustíveis sólidos se degradam quimicamente com o tempo devido à decomposição espontânea de polímeros e seus solventes tecnológicos, após o que os oligômeros entram em reações químicas com outros componentes mais estáveis do combustível. Portanto, verificadores de propelente sólido precisam ser substituídos regularmente.
O componente biologicamente tóxico dos combustíveis para foguetes é o UDMH, que afeta o sistema nervoso central, as membranas mucosas dos olhos e o trato digestivo humano e provoca câncer. Nesse sentido, o trabalho com o UDMH é realizado isolando trajes de proteção química com o uso de aparelhos respiratórios autônomos.
O valor da densidade do combustível afeta diretamente a massa dos tanques de combustível LPRE e do corpo do foguete de propelente sólido: quanto maior a densidade, menor a massa parasita do foguete. A densidade mais baixa do par de combustível hidrogênio + oxigênio é de 0,34 g / cu. cm, um par de querosene + oxigênio tem densidade de 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1,19 g / cu. cm, nitrocelulose + nitroglicerina - 1,62 g / cu. cm, alumínio / hidreto de alumínio + perclorato / dinitramida de amônio - 1,7 g / cc, HMX + perclorato de amônio - 1,9 g / cc. Neste caso, deve-se ter em mente que no motor de foguete de propelente sólido de combustão axial, a densidade da carga de combustível é aproximadamente duas vezes menor que a densidade do combustível devido à seção em forma de estrela do canal de combustão, utilizada para manter uma pressão constante na câmara de combustão, independentemente do grau de queima do combustível. O mesmo se aplica aos combustíveis balísticos, que são formados como um conjunto de correias ou bastões para encurtar o tempo de queima e a distância de aceleração de foguetes e foguetes. Em contraste com eles, a densidade da carga de combustível em motores de foguetes de propelente sólido de combustão final baseados em HMX coincide com a densidade máxima indicada para ele.
A última das principais características dos combustíveis para foguetes é a fumaça dos produtos da combustão, desmascarando visualmente o vôo dos foguetes e foguetes. Esta característica é inerente aos combustíveis sólidos contendo alumínio, cujos óxidos são condensados a um estado sólido durante a expansão no bico do motor de foguete. Portanto, esses combustíveis são usados em propelentes sólidos de mísseis balísticos, cuja seção ativa da trajetória está fora da linha de visão do inimigo. Os mísseis de aeronaves são alimentados com HMX e combustível de perclorato de amônio, foguetes, granadas e mísseis antitanque - com combustível balístico.
Energia dos combustíveis para foguetes
Para comparar as capacidades de energia de vários tipos de combustível de foguete, é necessário definir condições de combustão comparáveis para eles na forma de pressão na câmara de combustão e a taxa de expansão do bico do motor de foguete - por exemplo, 150 atmosferas e 300 vezes expansão. Então, para pares / trigêmeos de combustível, o impulso específico será:
oxigênio + hidrogênio - 4,4 km / s;
oxigênio + querosene - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramida de amônio + hidreto de hidrogênio + HMX - 3,2 km / s;
perclorato de amônio + alumínio + HMX - 3,1 km / s;
perclorato de amônio + HMX - 2,9 km / s;
nitrocelulose + nitroglicerina - 2,5 km / s.
O combustível sólido à base de dinitramida de amônio é um desenvolvimento doméstico do final dos anos 1980, foi usado como combustível para o segundo e terceiro estágios dos mísseis RT-23 UTTKh e R-39 e ainda não foi superado em características energéticas pelas melhores amostras de combustível estrangeiro baseado em perclorato de amônio. usado nos mísseis Minuteman-3 e Trident-2. A dinitramida de amônio é um explosivo que detona até mesmo com a radiação luminosa, portanto, sua produção é realizada em salas iluminadas por lâmpadas vermelhas de baixa potência. Dificuldades tecnológicas não permitiram dominar o processo de fabricação de combustível de foguete com base em qualquer lugar do mundo, exceto na URSS. Outra coisa é que a tecnologia soviética foi implementada rotineiramente apenas na fábrica de produtos químicos Pavlograd, localizada na região de Dnepropetrovsk do SSR ucraniano, e foi perdida na década de 1990 depois que a fábrica foi convertida para produzir produtos químicos domésticos. No entanto, a julgar pelas características táticas e técnicas de armas promissoras do tipo RS-26 "Rubezh", a tecnologia foi restaurada na Rússia na década de 2010.
Um exemplo de uma composição altamente eficaz é a composição de combustível sólido de foguete da patente russa nº 2241693, de propriedade da Fábrica de Perm da Empresa Unitária do Estado Federal em homenagem CM. Kirov :
agente oxidante - dinitramida de amônio, 58%;
combustível - hidreto de alumínio, 27%;
plastificante - nitroisobutiltrinitreglicerina, 11, 25%;
aglutinante - borracha nitrílica de polibutadieno, 2, 25%;
endurecedor - enxofre, 1,49%;
estabilizador de combustão - alumínio ultrafino, 0,01%;
aditivos - negro de fumo, lecitina, etc.
Perspectivas para o desenvolvimento de combustíveis para foguetes
As principais direções para o desenvolvimento de combustíveis líquidos para foguetes são (em ordem de prioridade de implementação):
- o uso de oxigênio super-resfriado para aumentar a densidade do oxidante;
- transição para um combustível vapor oxigênio + metano, cujo componente combustível possui 15% mais energia e 6 vezes melhor capacidade térmica que o querosene, levando em consideração o fato de que tanques de alumínio são endurecidos à temperatura do metano líquido;
- adicionar ozônio à composição de oxigênio no nível de 24% para aumentar o ponto de ebulição e a energia do oxidante (uma grande proporção de ozônio é explosiva);
- a utilização de combustível tixotrópico (espessado), cujos componentes contenham suspensões de pentaborano, pentafluoreto, metais ou seus hidretos.
O oxigênio super-resfriado já está sendo usado no veículo de lançamento Falcon 9; motores de foguete movidos a oxigênio + metano estão sendo desenvolvidos na Rússia e nos Estados Unidos.
A principal direção no desenvolvimento de combustíveis sólidos para foguetes é a transição para ligantes ativos contendo oxigênio em suas moléculas, o que melhora o equilíbrio de oxidação dos propelentes sólidos como um todo. Uma amostra doméstica moderna de tal aglutinante é a composição de polímero "Nika-M", que inclui grupos cíclicos de dióxido de dinitrila e poliéteruretano de butilenodiol, desenvolvido pelo Instituto de Pesquisa Estatal "Kristall" (Dzerzhinsk).
Outra direção promissora é a ampliação da gama de explosivos de nitramina usados, que apresentam um balanço de oxigênio maior em comparação com o HMX (menos 22%). Em primeiro lugar, são hexanitrohexaazaisowurtzitano (Cl-20, balanço de oxigênio menos 10%) e octanitrocubano (balanço de oxigênio zero), cujas perspectivas dependem da redução do custo de sua produção - atualmente o Cl-20 é uma ordem de magnitude mais caro do que o HMX, o octonitrocubano é uma ordem de magnitude mais caro do que o Cl-vinte.
Além de melhorar os tipos de componentes conhecidos, pesquisas também estão sendo realizadas no sentido de criar compostos poliméricos, cujas moléculas consistem exclusivamente em átomos de nitrogênio conectados por ligações simples. Como resultado da decomposição de um composto polimérico sob a ação do aquecimento, o nitrogênio forma moléculas simples de dois átomos conectados por uma ligação tripla. A energia liberada neste caso é o dobro da energia dos explosivos de nitramina. Pela primeira vez, compostos de nitrogênio com uma estrutura cristalina semelhante a diamante foram obtidos por cientistas russos e alemães em 2009 durante experimentos em uma planta piloto conjunta sob a ação de uma pressão de 1 milhão de atmosferas e uma temperatura de 1725 ° C. Atualmente, o trabalho está em andamento para atingir o estado metaestável de polímeros de nitrogênio em pressão e temperatura normais.
Os óxidos de nitrogênio mais elevados são compostos químicos promissores que contêm oxigênio. O conhecido óxido nítrico V (uma molécula plana que consiste em dois átomos de nitrogênio e cinco átomos de oxigênio) não tem valor prático como componente de combustível sólido devido ao seu baixo ponto de fusão (32 ° C). Investigações nesse sentido são realizadas buscando um método para a síntese do óxido nítrico VI (hexaóxido de tetra-nitrogênio), cuja estrutura da molécula tem a forma de um tetraedro, em cujos vértices existem quatro átomos de nitrogênio ligados a seis átomos de oxigênio localizados nas bordas do tetraedro. O fechamento completo das ligações interatômicas na molécula de óxido nítrico VI permite prever para ela uma estabilidade térmica aumentada, semelhante à da urotropina. O balanço de oxigênio do óxido nítrico VI (mais 63%) torna possível aumentar significativamente a gravidade específica de componentes de alta energia como metais, hidretos metálicos, nitraminas e polímeros de hidrocarbonetos no combustível sólido de foguete.
